Methodische Entwicklung der MALDI-TOF- Massenspektrometrie ... · Methode wurden mittlerweile...

Methodische Entwicklung der MALDI-TOF-

Massenspektrometrie für Grenzbereiche der Polymeranalytik

Dissertation zur Erlangung des Grades

„Doktor der Naturwissenschaften“

am Fachbereich Chemie und Pharmazie

der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

vorgelegt von

Laurence Przybilla

geboren in L’Haÿ-Les-Roses

(Frankreich)

Mainz, 2000

Tag der mündlichen Prüfung: 16.08.00

Inhaltsverzeichnis

I

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung ..................................................................................................................................................... 1

I.1. Der Beitrag der MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur Polymeranalytik............................................... 1

I.2. Zielsetzung der Arbeit ............................................................................................................................... 3

II. Beschreibung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie ........................................................................... 7

II.1. Meßprinzip ........................................................................................................................................... 7

II.2. Aufbau der verwendeten MALDI-TOF-Massenspektometer ................................................................ 9

II.2.1 Der lineare Meßmodus .................................................................................................................. 10

II.2.2 Der Reflektormodus ...................................................................................................................... 10

II.2.3 Die „Delayed Extraction“-Technik................................................................................................ 11

II.2.4 Die Detektoren .............................................................................................................................. 12

II.3. Post-Source Decay............................................................................................................................. 15

II.3.1 Das Prinzip des „Post-Source Decay’s“ ........................................................................................ 15

II.3.2 Aufnahme eines PSD-Massenspektrums mit der FAST™-Methode ............................................. 17

III. Hauptteil ..................................................................................................................................................... 20

III.1. Charakterisierung von polymeranalogen Endgruppenreaktionen mit MALDI-TOF-MS .................. 20

III.1.1 Synthese und Anwendung der zu untersuchenden endgruppenmodifizierten

Polyethylenglykole ........................................................................................................................ 20

III.1.2 Vorteile der Charakterisierung der endgruppenmodifizierten Polyethylenglykole mit der MALDI-

TOF-MS ........................................................................................................................................ 23

III.1.3 Einstellung des Massenspektrometers zur wirklichkeitstreuen Abbildung der Molmassenverteilung

eines Polymers............................................................................................................................... 25

III.1.4 Die theoretisch zu erwartenden Molekulargewichtsmittelwerte eines endgruppenmodifizierten

Polymers........................................................................................................................................ 34

III.1.5 Darstellung und Auswertung der MALDI-TOF-Massenspektren.................................................. 35

III.2. Strukturaufklärung synthetischer Polymere mittels „Post-Source Decay“-Untersuchungen............ 42

III.2.1 Endgruppenbestimmung von Polycarbonaten mittels PSD-Analyse ............................................. 43

III.2.1.1 Unvollständige Endgruppenbestimmung einer komplexen Polycarbonat-Probe mittels

konventioneller MALDI-TOF-MS....................................................................................... 43

III.2.1.2 Aufklärung des Fragmentierungsverhaltens von Polycarbonat ............................................ 46

III.2.1.3 Entwicklung einer Methode zur Endgruppenbestimmung von PCA mittels

PSD-Analyse........................................................................................................................ 59

Inhaltsverzeichnis

II

III.2.1.4 Anwendung der Methode zur Endgruppenbestimmung der Probe PCA-1........................... 60

III.2.2 Bestimmung der Zusammensetzung eines PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers mittels

PSD-Analyse ................................................................................................................................. 67

III.2.2.1 Probleme bei der Ermittlung der Copolymerzusammensetzung mittels konventioneller

MALDI-TOF-MS ................................................................................................................ 67

III.2.2.2 Charakterisierung der beiden Homopolymer-Blöcke von PPE-b-PEO 21 mit

MALDI-TOF-MS ................................................................................................................ 70

III.2.2.3 Untersuchung des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 ..................................................... 81

III.3. Charakterisierung metallo-supramolekularer Verbindungen mit MALDI-TOF-MS ......................... 90

III.3.1 Problematik der Charakterisierung Metallo-supramolekularer Verbindungen .............................. 90

III.3.2 Charakterisierung gitterartiger metallo-supramolekularer Verbindungen mit

MALDI-TOF-MS.......................................................................................................................... 91

III.3.3 Charakterisierung makrozyklischer kationischer vierkerniger Übergangsmetallkomplexe mit

MALDI-TOF-MS.......................................................................................................................... 98

III.4. Charakterisierung von ausgedehnten, unlöslichen polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen

(PAH) mit MALDI-TOF-MS............................................................................................................. 110

III.4.1 Problematik der Charakterisierung von PAHs............................................................................. 110

III.4.2 Charakterisierung unlöslicher PAHs mit Massenspektrometrie................................................... 113

III.4.2.1 Möglichkeiten und Grenzen der Laserdesorption-TOF-MS zur Charakterisierung unlöslicher

PAHs.................................................................................................................................. 113

III.4.2.2 Weiterentwicklung von MALDI zur Charakterisierung ausgedehnter unlöslicher PAHs .. 125

III.4.2.3 Qualitative Analyse der Cyclodehydrierungsprodukte von Oligophenylen 56 (C222H150) mit .

MALDI ............................................................................................................................. 139

III.4.2.4 Semi-quantitative Analyse des Cyclodehydrierungsproduktes von Oligophenylen 56 mit

MALDI-Massenspektrometrie ........................................................................................... 147

III.4.2.5 Interpretation des LD-Massenspektrums von PAH 54....................................................... 164

III.4.2.6 Detektion von Oligomeren und Silber-Adduktionen bei der MALDI-Messung von

PAHs.................................................................................................................................. 167

III.5. Bedeutung der Probenvorbereitung bei der MALDI-Massenspektrometrie .................................... 174

III.5.1 Einfluß der Matrix auf das Fragmentierungsverhalten von konjugierten Polymeren................... 174

III.5.1.1 Problematik der Charakterisierung von konjugierten Polymeren....................................... 174

III.5.1.2 Charakterisierung mit MALDI: Einfluß der Matrix auf das Fragmentierungsverhalten..... 176

III.5.2 Einfluß der Matrix auf die Polymerverteilung............................................................................. 197

III.5.2.1 Radikalkationenbildung als Ionisierungsmechanismus ...................................................... 198

III.5.2.2 Adduktionenbildung als Ionisierungsmechanismus ........................................................... 201

III.5.3 Einfluß des Kations auf die Polymerverteilung ........................................................................... 205

IV. Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................................................ 211

Inhaltsverzeichnis

III

V. Experimenteller Teil ................................................................................................................................ 219

V.1. Allgemeine experimentelle Bedingungen ......................................................................................... 219

V.2. Kalibrierung des Massenspektrometers ........................................................................................... 220

V.3. Aufnahme und Kalibrierung eines FAST-Massenspektrums ............................................................ 222

V.4. Polymeranalytische Auswertung der Massenspektren ..................................................................... 224

V.5. Durchführung der Messungen.......................................................................................................... 225

V.5.1 Messung der endgruppenmodifizierten Polyethylenglykolproben 3 und 8 sowie deren

Ausgangspolymere 1 und 4.......................................................................................................... 225

V.5.2 Messung von Polycarbonaten ...................................................................................................... 226

V.5.3 Messung des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 und dessen Homopolymervorläufer PEO 19

und PPE 20.................................................................................................................................. 227

V.5.4 Messung der gitterartigen metallo-supramolekularen Verbindungen .......................................... 228

V.5.5 Messung der makrozyklischen vier- und sechskernigen Übergangsmetallkomplexe 35 bzw.

38................................................................................................................................................. 229

V.5.6 Messung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) ................................... 230

V.5.7 Messung von Laserwellenlänge-absorbierenden Proben: Poly-para-phenylen 66, Oligophenylen

56 und Poly-para-phenylenethinylen 23, 20................................................................................ 231

V.5.8 Messung von Polystyrol 67 und 68.............................................................................................. 232

VI. Anhang 1: Herleitung der Veränderung der Molmassen-mittelwerte des Produkts einer

Endgruppenmodifikation im Verhältnis zu den Molmassenmittelwerten des Ausgangspolymers ... 234

VII. Anhang 2: Klassifizierung konventioneller Matrices nach der Desorptions- und Ionisierungsschwelle

.............................................................................................................................................................. 239

VIII. Anhang 3: Klassifizierung neuer und konventioneller Matrices nach der Desorptions- und

Ionisierungsschwelle ........................................................................................................................... 241

IX. Literatur ................................................................................................................................................... 244

Abkürzungen und Symbole

IV


CAD (engl.) Collisionally Activated Dissociation

CID (engl.) Collision Induced Decay

DE (engl.) Delayed Extraction

EI Elektronenstoßionisation

FAB (engl.) Fast Atom Bombardment

FAST (engl.) Fragment Analysis and Structural TOF

FD (engl.) Field Desorption

GPC Gelpermeationschromatographie

IP Ionisierungspotential

IR Infrarot

ISD (engl.) In-Source Decay

LD (engl.) Laser Desorption

LED (engl.) Light Emitting Diode

m/z Masse-zu-Ladungsverhältnis

MALDI (engl.) Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionisation

MCP (engl.) Microchannel plate

Mn zahlengewichtete mittlere Molmasse (Zahlenmittel)

MPI (engl.) Multiphoton Ionisation

MS Massenspektrometrie

MS/MS tandem Massenspektrometrie

Mw massengewichtete mittlere Molmasse (Massenmittel)

NMR (engl.) Nuclear Magnetic Resonance

PAH (engl.) Polycyclic Aromatic Hydrocarbon

PCA Polycarbonat A


V

PCB Polycarbonat B

PCZ Polycarbonat Z

PD Cf-Plasmadesorption

PD Polydispersität

PEG Polyethylenglykol

PEO Polyethylenoxid

PMMA Polymethylmethacrylat

PPE Poly-para-Phenylenethinylen

PPE-b-PEO Poly-para-Phenylenethinylen-b-Polyethylenoxid-Diblock-Copolymer

PPP Poly-para-Phenylen

PS Polystyrol

PSD (engl.) Post-Source Decay

R2PI (engl.) Resonance 2-Photon Ionisation

STM (engl.) Scanning Tunneling Microscopy

TOF (engl.) Time-of-Flight

UV Ultraviolett

Einleitung

1

I. Einleitung

I.1. Der Beitrag der MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur

Polymeranalytik

Die Eigenschaften und damit das Einsatzgebiet eines Polymerwerkstoffs sind durch dessen

molekularen Aufbau bedingt. Dabei ist die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung,

der Anordnung der Polymerbausteine innerhalb der Polymerkette, der Endgruppen und des

Molekulargewichts eine Aufgabe der Polymeranalytik.1 Die Bestimmung dieser

Strukturparameter erfordert den Einsatz unterschiedlicher Analysenmethoden: Informationen

zur chemischen Zusammensetzung und zur Art der Endgruppe werden meistens von

spektroskopischen Methoden (IR, NMR) geliefert; zur Bestimmung des Molekulargewichts

stehen verschiedene Techniken zu Verfügung, von denen Osmometrie, Lichtstreuung,

Viskosimetrie und GPC am meisten angewendet werden.

Die Anwendung der Massenspektometrie in der Polymercharakterisierung war bis vor einigen

Jahren nur in sehr begrenzten Umfang möglich. Dabei war die Überführung der Moleküle in

die Gasphase die limitierende Stufe. Dieser Phasenübergang wurde zunächst durch die

Verdampfung des Polymers erreicht, so daß in vielen Fällen nur Bruchstücke der

Ursprungsmolekülketten untersucht werden konnten. Erst die Einführung neuer

Analysetechniken, die ohne vorherigen Verdampfungsschritt arbeiten, hat der Polymeranalytik

zusätzliche Möglichkeiten eröffnet. Schonende Verfahren wie die Felddesorption (FD),2,3 die

„Fast Atom Bombardment“-Technik (FAB)4,5,6 und die Plasmadesorption (PD)7,8 gestatten die

Ionisation intakter Polymerketten bis in den Bereich höherer Molekulargewichte (103-104

g/mol). Trotzdem treten auch bei diesen schonenden Ionisierungtechniken neben den

Molekülionen Fragmente auf, die die Interpretation der Spektren erheblich erschweren

können. Dank der Entwicklung des Lasers wurden seit den 70er Jahren systematisch Versuche

durchgeführt,9,10 um mit Laserstrahlung aus organischen Molekülen Ionen zu erzeugen. Die

Laserdesorption (LD)11,12,13,14 kann allerdings nur bei relativ kleinen Molekülen (< 2000

g/mol) eingesetzt werden, da die zur Desorption größerer Moleküle notwendige Energie

ausreicht, um sie zu fragmentieren. Der Durchbruch auf dem Weg zu einer leistungsfähigen

Polymeranalytik wurde aber durch die Einführung der „Matrixunterstützen Laserdesorptions/-

ionisations“-Massenspektrometrie (MALDI-MS) erreicht. Die MALDI-Methode wurde 1988

Einleitung

2

durch Karas und Hillenkamp15 für die Analyse von Biopolymeren eingeführt und ab 199216

auf synthetische Polymere mit hohen Molekulargewichten übertragen. Mit der MALDI-

Methode wurden mittlerweile Polymere im Molmassenbereich bis zu knapp 1.500.000 g/mol

charakterisiert.17

In der Regel ist die MALDI-TOF-Massenspektrometrie im Bereich der kleinen

Molekulargewichte (< 104 g/mol) in der Lage, die genauen Massen der einzelnen

Polymerketten innerhalb der Verteilung nachzuweisen. Dies gestattet eine direkte

Charakterisierung der Wiederholungseinheit und der Endgruppen. Zusätzlich ermöglicht die

Auswertung der Spektren in diesem Bereich sowie in dem höheren, unaufgelösten Bereich die

Bestimmung der Molekulargewichtsmittelwerte Mn und Mw. Mehrere klassische Polymere

wie Polystyrol,18,19,20 Polyethylenglykol,21,16,21,20 Polymethylmethacrylat18,22,20 wurden mittels

MALDI-TOF-Massenspektrometrie systematisch untersucht, und die daraus berechneten

Molekulargewichte zeigen im Falle von engen Verteilungen eine gute Übereinstimmung mit

den durch konventionelle Methoden erhaltenen Werte.23 Wenn die Polydispersität einen Wert

von ca. 1,2 erreicht, unterscheiden sich die mit MALDI und GPC gemessenen

Molmassenmittelwerte jedoch um bis zu 20%. Bei breiteren Verteilungen liefern MALDI-

Spektren unzuverlässige Mn- und Mw-Werte, die viel kleiner als die durch konventionelle

Methoden erhaltenen Werte sind.20 Für die Molekulargewichtsbestimmung einer breiten

Polymerverteilung kann aber die MALDI-TOF-Massenspektrometrie trotzdem indirekt

eingesetzt werden. Das MALDI-Gerät wird dann quasi als „off-line“-Detektor für die GPC

genutzt.24,25,26,27,28 Aus dem Eluat der chromatographischen Trennung werden Fraktionen

gesammelt, deren Molmassenverteilung einen engen Schnitt der gesamten Probenverteilung

darstellt. Von den so erhaltenen engen Molekulargewichtsverteilungen kann nun mittels

MALDI-TOF eine genaue Molmassenbestimmung vorgenommen werden, die eine

Kalibrierung der GPC-Kurven durch absolute Massen ermöglicht. Dadurch werden die

Molekulargewichtsmittelwerte der Probe aus dem massenspektroskopisch kalibrierten GPC-

Elugramm berechnet.

Trotz dieser Einschränkung bei der Ermittlung von Molekulargewichtsmittelwerten ist die

MALDI-Methode eine wertvolle und notwendige Ergänzung zu etablierten Methoden der

Polymeranalytik geworden. Gegenüber diesen weist MALDI-MS fünf wesentliche Vorteile

auf, die in einer kurzen Analysendauer (nach vollendeter Probenvorbereitung), in minimalem

Substanzbedarf und in der hohen Massengenauigkeit, -auflösung sowie -reproduzierbarkeit

Einleitung

3

begründet sind. Auf Grund dieser Vorteile und der Fülle der gelieferten Informationen stellt

MALDI-MS eine ernsthafte Konkurrenz und vor allen Dingen eine wertvolle Ergänzung zu

den konventionellen Methoden der Polymercharakterisierung dar. Für zahlreiche

Polymerproben können diese Techniken gar nicht oder nur unzuverlässig eingesetzt werden,

und gerade in diesen Fällen ist der Beitrag der MALDI-MS von großer Bedeutung für die

Polymeranalytik. Da der Desorptions- und Ionisierungsprozeß aber noch weitgehend ungeklärt

ist, stellt jedes neue Polymersystem ein neues Problem dar. Die Meßbedingungen müssen erst

erarbeitet werden, um durch geeignete Wahl der experimentellen Parameter

(Probenvorbereitung, Einstellung des Geräts) ein wirklichkeitstreues Abbild eines Polymers,

insbesondere einer Polymerverteilung, zu gewinnen. Daher kann von einer Routineanwendung

der MALDI-MS in der Polymeranalytik noch keine Rede sein.

I.2. Zielsetzung der Arbeit

Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht in der Anwendung der MALDI-TOF-MS zur

Charakterisierung von Makromolekülen, bei denen die konventionellen polymeranalytischen

Methoden nur unzureichende Informationen oder gar falsche Ergebnisse liefern. Eine

erfolgreiche Charakterisierung mittels MALDI-TOF-MS ist aber nur dann möglich, wenn

sowohl ein grundlegendes Verständnis für eine geeignete Probenvorbereitung als auch für die

optimale Einstellung des Massenspektrometers gewährleistet sind. Die methodische

Entwicklung der MALDI-TOF-MS soll zunächst anhand von konventionellen wohldefinierten

synthetischen Polymeren durchgeführt werden. Dabei wird versucht die Aussagekraft der

Methode soweit abzusichern, daß unabhängig von anderen Charakterisierungsmethoden

möglichst detaillierte Informationen über die Polymerstruktur gewonnen werden können. Das

entwickelte Verfahren wird im ersten Teil dieser Arbeit für die Charakterisierung von

endgruppenmodifizierten Polymeren angewendet.

Prinzipiell ist MALDI für die Untersuchung endgruppenmodifizierter Polymere besonders

geeignet und wesentlich informationsreicher im Vergleich zu anderen Analysenmethoden.

Mittels NMR-Analyse ist die Endgruppenmodifikation schwierig nachzuweisen und läßt unter

günstigen Umständen nur die Bestimmung eines Molekulargewichtsmittelwertes zu. Im Falle

eines flexibeln Polymers, das mit einem starren und voluminösen Substituenten wie z.B. einer

Steroid-Gruppe modifiziert wird, liefert die GPC aufgrund der schlechten Auflösung sowie

Einleitung

4

fehlender Vergleichsverbindungen nur ungenaue Molekulargewichtsmittelwerte. Dagegen

sollte ein aufgelöstes MALDI-TOF-Massenspektrum des zu untersuchenden Polymers sowohl

die genauen Massen der einzelnen Polymerketten als auch die Verschiebung der

Polymerverteilung nachweisen können. Diese Charakterisierung, die über eine herkömmliche

Endgruppenbestimmung mit MALDI hinausgeht, erfordert jedoch eine quantitative

Auswertung aller Signalintensitäten im Massenspektrum. Eine umfassende Analyse der

Aussagekraft und Zuverlässigkeit der Methode soll anhand zweier endgruppenmodifizierter

Polyethylenglykole, die am MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung für die

Untersuchung polymerdekorierter Membranen hergestellt wurden, durchgeführt werden.

Die genauen Massen der einzelnen Polymerketten, die im aufgelösten

Molekulargewichtsbereich eines MALDI-TOF Massenspektrums bis ca. 10.000 g/mol im

allgemeinen eine direkte Endgruppenbestimmung erlauben, wie z.B. bei der oben erwähnten

Endgruppenmodifizierung, reichen in komplizierten Fällen jedoch nicht aus, um die

chemische Struktur des Polymers zu ermitteln. Zusätzliche Informationen werden dann

benötigt, die aus einer Fragmentierungsuntersuchung des Polymers erhalten werden könnten.

In der Tat werden im biochemischen Bereich häufig metastabile Zerfälle bei der MALDI-

Analytik untersucht und liefern z.B. bei der Peptidsequenzierung wertvolle

Strukturinformationen. Es soll nun untersucht werden, ob Fragmentierungsuntersuchungen

ebenfalls in der Analytik synthetischer Polymere sinnvoll eingesetzt werden können, um

zusätzliche Strukturinformationen zu gewinnen. Die Bestimmung der Endgruppen einer

komplexen Polycarbonat-Probe sowie die Ermittlung der Zusammensetzung eines Poly-para-

phenylenethinylen-b-Polyethylenoxid-Diblock-Copolymers sollen mittels Fragmentierungs-

untersuchungen durchgeführt werden, um das Potential der Methode zu demonstrieren.

Im Rahmen dieser Arbeit soll jedoch die Entwicklung der MALDI-TOF-MS nicht auf die

zuverlässige Charakterisierung herkömmlicher synthetischer Polymere eingeschränkt werden.

Für neue Substanzklassen von Makromolekülen, die meist aus akademischem Interesse

synthetisiert werden, treten oft große analytische Schwierigkeiten auf, so daß konventionelle

Charakterisierungsmethoden nicht eingesetzt werden können. Eine systembezogene

Anpassung der MALDI-Analytik an diese neuen Substanzklassen könnte prinzipiell deren

Nachweis ermöglichen. Die geladenen metallo-supramolekularen Strukturen stellen z.B. eine

dieser neuen Substanzklassen dar, die eine Methodenentwicklung der Analytik erfordern. Sie

können aufgrund ihrer schwachen Bindungskraft sowie ihrer Ladung mit konventionellen

Einleitung

5

Charakterisierungsmethoden der Polymeranalytik nicht nachgewiesen werden. Bislang kann

nur die zeitaufwendige analytische Ultrazentrifugation eingesetzt werden. Wegen des

schonenden Phasenübergangs (fest-gasförmig) beim MALDI-Prozeß sollten prinzipiell auch

solche labilen Überstrukturen einer massenspektrometrischen Untersuchung zugänglich sein.

Inwieweit dies möglich ist und welchen Gesetzmäßigkeiten die Analyse solcher instabilen

Aggregate unterliegen, soll ebenfalls in dieser Arbeit untersucht werden.

Als weitere schwierig zu charakterisierende Substanzklasse haben sich die polyzyklischen

aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAH) erwiesen. Aufgrund ihrer unzureichenden

Löslichkeit können diese bis zu einer gewissen Molmasse nur durch

Laserdesorptionsmassenspektrometrie (LD-TOF-MS) charakterisiert werden. Die

Charakterisisierung noch größerer PAH’s, für die es bislang keine direkten

Analysemöglichkeiten gibt, ist daher eine analytische Herausforderung. Da die Analytik

unlöslicher Substanzen allgemein ein schwieriges Problem darstellt, soll im Rahmen dieser

Arbeit versucht werden, diese Limitierung mit der MALDI-TOF-MS zu überwinden. Dazu

sollen systematische Experimente durchgeführt werden, die eine homogene Verteilung des

Analyts in der Matrix erlauben, ohne auf die sonst erforderliche Probenvorbereitung mit Hilfe

von gelösten Substanzen angewiesen zu sein.

Die Entwicklung der MALDI-TOF-MS zur Charakterisierung neuer Substanzen offenbart,

daß die Probenvorbereitung von ausschlaggebender Bedeutung ist. Sie stellt bei der

Charakterisierung mittels MALDI-Massenspektrometrie einen wesentlichen Schritt dar, der

jedoch bisher nur teilweise verstanden ist. Von der Probenvorbereitung hängt der Erfolg des

MALDI-Prozesses ab. Sie ist besonders kritisch für die Charakterisierung labiler Moleküle,

die einen äußerst milden Phasenübergang erfordern. Es sollen Parameter bestimmt werden,

die eine Fragmentierung empfindlicher Moleküle, die die benutzte Laserwellenlänge

absorbieren, vermeiden können. Abgesehen von der Erzeugung eines intakten Moleküls wird

an die MALDI-TOF-Massenspektrometrie eine weitere Anforderung gestellt, nämlich die

quantitative Analyse der Molekulargewichte einer Probe. Diese ist in der Regel im Falle von

Substanzgemischen nicht gewährleistet, da die Desorptions- und Ionisations-

wahrscheinlichkeiten unterschiedlich sind. Selbst innerhalb einer Polymerverteilung bleibt die

Quantifizierung ein sehr heikles Thema. Mehrere Parameter ändern die in MALDI-

Massenspektren abgebildeten Polymerverteilungen. Eine davon ist die Probenvorbereitung.

Dies soll anhand einiger Beispiele am Ende dieser Arbeit illustriert werden.

Einleitung

6

Zunächst wird im folgenden Kapitel die Technik der MALDI-TOF-Massenspektrometrie

detailliert beschrieben. Dieses soll dem Leser ermöglichen, der im Hauptteil durchgeführten

Diskussion über die MALDI-Untersuchungen folgen zu können. Nach der Erläuterung des

Meßprinzips werden die prinzipiellen Unterschiede der verschiedenen Meßmethoden des

Massenspektrometers sowie die wichtigsten instrumentellen Parameter beschrieben.

Anschließend wird das Prinzip des metastabilen Zerfalls bei der MALDI-TOF-MS (der

sogenannte „Post-Source Decay“, PSD) erklärt sowie die nötige Meßanordung, die eine

Aufnahme eines PSD-Fragmentmassenspektrums ermöglicht.

Beschreibung der MALDI-TOF Massenspektrometrie

7

II. Beschreibung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie

II.1. Meßprinzip

Die Abkürzung MALDI-TOF steht für die Kombination aus einer matrixunterstützten

Laserdesorptions/ionisations-Ionenquelle (MALDI, Abkürzung aus dem Engl.: Matrix-

Assisted Laser Desorption/Ionisation) und einem Flugzeitanalysator (TOF, Abkürzung aus

dem Engl.: Time-of-flight)29. In der Ionenquelle werden gasförmige Ionen erzeugt, die im

Analysator entsprechend ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis (m/z) aufgetrennt werden. Die

Registrierung der Ionen erfolgt anschließend durch einen Detektor.

Bei der MALDI-TOF-Massenspektrometrie wird die zu untersuchende Probe gelöst und mit

einem großen Überschuß einer geeigneten, ebenfalls gelösten Matrix gemischt. Bei

synthetischen Polymeren wird zu dieser Mischung oft ein Salz zugesetzt, um die Ionisierung

des Analyten zu begünstigen. Ein µL dieser Mischung wird auf dem Probenträger getrocknet

und in die unter Vakuum stehende Probenkammer des Massenspektometers überführt. Als

Matrix dienen niedermolekulare organische Verbindungen, die im Bereich der verwendeten

Laserwellenlänge ausreichend absorbieren. Beim Beschuß mit einem nur ca. 3 ns dauernden

Laserpuls eines kurzwelligen Lasers wird Strahlung von der Matrix absorbiert. Dabei werden

die Matrixmoleküle angeregt, das Gitter im Festkörper zerstört und die Matrixmoleküle

desorbiert. Bei diesem Phasenübergang werden die darin eingebetteten Analytmoleküle

mitgerissen und ionisiert. Auf diese Weise wird eine effiziente und kontrollierte

Energiezuführung ermöglicht, während die Analytmoleküle von einer übermäßigen Energie,

die zu ihrer Fragmentierung führen könnte, geschützt werden. Außerdem scheint die

Verdünnung die Assoziation der Analytmoleküle zu unterdrücken, die sonst zu größeren

Aggregaten führen würde, welche bedingt durch ihre hohen Massen schlechter desorbierbar

wären.

Der Mechanismus des Desorptions- und Ionisationsschrittes ist noch nicht vollständig

verstanden. Gesichert gilt, daß hierbei der Wahl einer geeigneten Matrix eine entscheidende

Rolle zukommt. Daher sollen einige allgemeine Anforderungen an ein geeignetes

Matrixmaterial genannt werden. Wie bereits erwähnt wurde, handelt es sich dabei um kleine

organische Verbindungen, die im Wellenlängenbereich des verwendeten Lasers gut

absorbieren und im Vakuum eine sehr geringe Verdampfbarkeit besitzen. Weitere


8

Voraussetzungen an die Matrix ist eine gute Verträglichkeit mit dem Analyten im gelösten

Zustand, aber auch eine gute Mischbarkeit mit dem Analyten im festem Zustand. Nur so ist

eine gute Isolierung der Analytmoleküle voneinander gewährleistet und somit eine

Reduzierung der intermolekularen Kräfte möglich.30 Leider lassen sich noch keine genaueren

Aussagen treffen, welcher Analyt mit welcher Matrix am besten desorbiert. Deswegen ist es

notwendig, für jede neue Substanz nach einem „trial-and-error“-Verfahren eine neue

Probenvorbereitung zu entwickeln, bei der auch das molare Verhältnis der Komponenten

zueinander sowie die Wahl des Lösungsmittels eine wichtige Rolle spielen.

Die erzeugten Ionen werden in einem anliegenden starken elektrischen Feld beschleunigt und

in einem Flugzeitmassenspektrometer (TOF-MS) nach ihrer Flugzeit getrennt. Die ionisierten

Moleküle haben nach Durchlaufen des Spannungsgefälles die gleiche, definierte kinetische

Energie:

E U z m vkin = ⋅ = ⋅ ⋅1

22 Gleichung 1

Ekin kinetische Energie

U Beschleunigungspannung

z Elementarladung

m Ionenmasse

v Ionengeschwindigkeit

Dies bedingt in der nachfolgenden Driftstrecke (Flugrohr des Massenspektrometers)

unterschiedliche Flugzeiten in Abhängigkeit vom Masse-zu-Ladungsverhältnis. Nach dieser

definierten Flugstrecke treffen die Ionen auf einen Detektor. Die Aufnahme des

Detektorsignals in Relation zur Flugzeit ergibt das TOF-Massenspektrum. Die Zeit-Achse läßt

sich in eine Masse-zu-Ladungsverhältnis-Achse umrechnen. Nach Gleichung 1 ergibt sich

durch Substitution von v Lt= :

m

z

U

Lt=

⋅⋅

22

2 Gleichung 2

L Länge der Driftstreke

t Flugzeit des Ions


9

In der Praxis wird das Massenspektrometer mit Hilfe von Standards kalibriert, indem die

gemessenen Flugzeiten den bekannten Masse-zu-Ladungsverhältnissen zugeordnet werden.

Flugzeitgeräte arbeiten gepulst, d.h. daß die Folge „Ionenerzeugung / Beschleunigung /

Trennung“ in kurzen Zeitabständen wiederholt wird. Aufgrund dieses diskontinuierlichen

Betriebsmodus läßt sich das TOF-Massenspektrometer besonders vorteilhaft mit dem

ebenfalls gepulsten MALDI-Ionisierungsverfahren koppeln. Die weiteren Vorteile der

MALDI-TOF-Methode liegen in der sehr hohen Transmission des

Flugzeitmassenspektrometers (bis 100%) und in einem prinzipiell nicht begrenzten

Massenbereich.

II.2. Aufbau der verwendeten MALDI-TOF-Massenspektometer

Datenerfassung

N2-Laser (337 nm, 3ns)

Lineardetektor

Reflektordetektor

Reflektor

Ionenquelle

geladenerProbenträger

Extraktionsplatte

einstellbarer Dämpfer

Abbildung 1: Schematische Aufbau der von uns verwendeten MALDI-TOF-Massenspektometer

Bei den verwendeten Flugzeitmassenspektrometern mit MALDI-Ionenquelle handelt es sich

um zwei Geräte der Firma Bruker-Franzen Analytik GmbH (s. Abbildung 1). Als Lasersystem

wird ein N2-Laser mit einer Wellenlänge von 337 nm und einer Pulsbreite von 3 ns

angewendet. Die Ionenquelle besteht aus einer geladenen Metallelektrode (dem Probenträger


10

selbst) und einer geerdeten Beschleunigungselektrode. Auf den Probenträger wird die Analyt-

Matrix-Mischung aufgebracht und dem Beschuß eines gepulsten Stickstofflasers ausgesetzt.

Hierdurch werden Analytionen erzeugt und verlassen die Quelle, da sie von dem anliegenden

elektrischen Feld beschleunigt werden. Die Flugzeitmassenspektrometer können im Linear-

oder im Reflektorbetrieb eingesetzt werden.31

II.2.1 Der lineare Meßmodus

Die einfachste Konfiguration eines Flugzeitmassenspektrometers kommt im Linearmodus zur

Anwendung, bei dem Ionen nach ihrer Beschleunigung und Durchlaufen der Driftstrecke auf

einen am Ende des Flugrohrs befindlichen Detektor treffen. Der Vorteil des Linearmodus

besteht darin, daß ein Zerfall von Ionen nach der Beschleunigung keinen Einfluß auf das

erhaltene Massenspektrum hat, da sich die Geschwindigkeit der Bruchstücke nach dem Zerfall

nicht wesentlich ändert und sie so zum gleichen Zeitpunkt am Detektor ankommen, an dem

auch das intakte Mutterion angekommen wäre. Die praktische Beschränkung des Linearmodus

ist die relativ niedrige Auflösung, wofür eine Kombination experimenteller Faktoren wie z.B.

der Zeitpunkt der Ionenerzeugung, die anfängliche Energieverteilung und die

Coulombabstoßung verantwortlich sind. Die durch die Energieverteilung der Ionen bedingte

Auflösung kann durch die Anwendung des Ionenreflektrons deutlich verbessert werden.

II.2.2 Der Reflektormodus

Der vor dem Lineardetektor angeordnete Reflektor besteht aus einem entgegengerichteten,

leicht gewinkelten elektrischen Feld, das etwas höher als das Beschleunigungspotential

eingestellt ist. Die Ionen dringen in den Reflektor ein, bis sie ihre kinetische Energie

vollständig verloren haben, werden umgelenkt und auf dem Reflektordetektor

weiterbeschleunigt. Ionen mit gleichem Masse-zu-Ladungsverhältnis, aber größerer

kinetischer Energie dringen tiefer in das Reflektionsfeld ein und verzögern ihre Ankunft auf

dem Reflektordetektor im Vergleich zu Ionen, die eine kleinere kinetische Energie besitzen.

Dadurch werden die Ionen auf dem Reflektordetektor fokussiert und die Auflösung sowie die

Massengenauigkeit gesteigert. Bei dieser Meßanordnung geht aber der Vorteil der hohen

Empfindlichkeit der Flugzeitmassenspektrometer etwas verloren, da die vor dem Reflektron

zerfallenen Ionen nicht detektiert werden können. Dies ist unbedingt zu beachten, wenn es um


11

quantitative Messungen geht, da durch metastabile Zerfälle Diskriminierungseffekte auftreten

können.

II.2.3 Die „Delayed Extraction“-Technik

Eine andere Methode, um die Massenauflösung zu erhöhen, stellt die sogenannte „Delayed

Extraction“ oder „time-lag-focusing“-Methode32 dar. Diese Technik kompensiert sowohl die

unterschiedlichen Anfangsgeschwindigkeiten der Ionen als auch ihre unterschiedlichen

Entstehungszeitpunkte, die sonst zur Peakverbreiterung beitragen. Bei einer „Delayed

Extraction“ (DE) wird die Verteilung der Anfangsgeschwindigkeiten in der Ionenquelle

korrigiert, während die Reflektron-Methode erst nach der Beschleunigung wirkt. So kann

mittels DE die Auflösung auch im Linearmodus verbessert werden. Dies hat gegenüber einer

Messung im Reflektormodus den Vorteil, daß die Empfindlichkeit des Massenspektrometers

gleich bleibt, da metastabile Zerfälle nur im Reflektormodus durch Intensitätsverlust

bemerkbar sind. Vor der Nutzung der DE muß die Konfiguration der Ionenquelle modifiziert

werden (s. Abbildung 2). Sie besteht grundsätzlich aus einer zweistufigen

Beschleunigungzone. Eine erste Lochblende (Potential V2) folgt dem Probenträger mit dem

gepulsten Potential V1 und zuletzt schließt sich eine zweite, geerdete Lochblende an.

V2V1

Laserstrahl

Probenträger

1. Lochblende

2. Lochblende

Spannung

Zeit

V1

V2

0Delay

(50, 150 od. 600 ns)

Abbildung 2: Aufbau der Ionenquelle für die Delayed Extraction


12

Bei der DE ist eine kurze Verzögerung (delay) zwischen dem Laserbeschuß (bzw. Ionisierung)

und der Ionenextraktion eingeschaltet. Während dieses Delays liegt kein elektrisches Feld

zwischen der Probe und der ersten Extraktionsblende an. Nach dem Delay wird an dem

Probenträger ein gepulstes Potential angelegt: die Ionen werden aus dem ersten Bereich

abgezogen und durch den zweiten Bereich, in dem eine konstante Potentialdifferenz herrscht,

zu ihrer Endgeschwindigkeit beschleunigt. Während des Delays sind die Ionen mit größerer

Geschwindigkeit (gleiches m/z) näher an die erste Extraktionsblende gewandert als die Ionen

mit kleinerer Anfangsgeschwindigkeit. Wenn das Extraktionsfeld gepulst wird, bildet sich

zwischen der Probe und der ersten Extraktionsplatte ein elektrostatisches Gradientenfeld. Die

langsamer fliegenden Ionen erfahren ein stärkeres elektrostatisches Extraktionsfeld als die

schnelleren, wodurch sie ihre ursprüngliche Verspätung aufholen. Um die bessere Auflösung

durch die Nutzung der DE zu erreichen, muß für jede Verbindung in dem betreffenden

Massenbereich das Delay sowie die Spannungen V1, V2 optimiert werden und ist somit

zeitaufwendiger als eine Messung mit einer einstufigen Beschleunigungzone. Unser modernes

MALDI-TOF-MS ist mit DE ausgerüstet und ermöglicht Messungen mit einer sehr hohen

Auflösung, vor allem im Massenbereich bis ca. 3000 g/mol, wo die Signale sogar

isotopenaufgelöst sind. Als Detektor wird im Linearmodus und im Reflektormodus eine dual-

microchannel plate (MCP)33 verwendet.

II.2.4 Die Detektoren

Der dual-MCP-Detektor (s. Abbildung 3a) besteht aus zwei gestapelten „channel plates“. Ein

„channel plate“ besteht aus einer Reihe von eng gepackten Kanälen, angeordnet in einer

flachen Scheibe. Die Kanalinnenwände sind mit einem Sekundärelektronen emittierenden

Halbleiter-Material beschichtet, so daß jeder Kanal einen unabhängigen Elektronvervielfacher

darstellt. Wenn Ionen auf die Platte prallen, werden sekundäre Elektronen gebildet, die durch

die Platte beschleunigt und vervielfacht werden, so daß ein Verstärkungsfaktor von ca. 103

erreicht wird. Höhere Verstärkungsfaktoren von ca. 106 werden durch die Kombination von

zwei Platten (dual-MCP) erhalten. „Dual-MCPs“, die als Standardlinear- und –

reflektordetektoren im Flugzeitmassenspektrometer dienen, sind jedoch zur Detektion hoher

Molmassen von synthetischen Polymeren sowie genauen Bestimmung von Polymerverteilung

ungeeignet. Zum einen benötigt ein MCP-Detektor eine minimale Geschwindigkeit der

ankommenden Partikel, um ein auswertbares Signal zu erzeugen, wodurch ein Problem bei

der Messung der langsam eintreffenden, schweren Ionen entsteht. Zum anderen neigen dual-


13

MCP-Detektoren zu einer schnellen Sättigung. In der Tat braucht jeder aktivierte Kanal eine

bestimmte Erholungszeit, die länger als die Flugzeit der schweren Ionen innerhalb eines

Ionenpakets dauert, bevor er wieder meßbereit ist. Dank der hohen Zahl der Kanäle auf einer

MCP kann diese dennoch kontinuierlich arbeiten, solange die Zahl der ankommenden Ionen

bzw. Elektronen nicht zu hoch ist. Problematisch kann es bei der zweiten MCP werden, auf

die ein wesentlich größerer Strom zukommt. Bei der Messung einer Polymerprobe treffen

aufgrund der Massenverteilung Ionenpakete mit unterschiedlichen Flugzeiten nacheinander

auf. Wenn die Erholungszeit der MCP länger als die Zeit zwischen zwei aufeinander

folgenden Ionenpakete ist, wird das Signal des zweiten Ionenpakets reduziert. Dies tritt

verstärkt auf, wenn der Ionenstrom des ersten Ionenpakets sehr intensiv ist und wirkt sich

besonderes bei den hochmolekularen Anteilen einer Polymerverteilung aus. Aus diesen

Gründen wurde der ältere Massenspektrometer unserer Abteilung mit einem speziellen

Detektor (s. Abbildung 3b) ausgestattet, der übersättigungsunempfindlich ist. Bei diesem

befindet sich vor dem MCP-Detektor eine Konversionsdynode, die aus den aufschlagenden

Analytionen Fragmentionen, sekundäre Ionen und Elektronen erzeugt. Diese kleinen

geladenen Partikel werden derart beschleunigt, daß ihre Geschwindigkeit ausreichend ist, um

eine Elektronenlawine im MCP-Detektor auszulösen. Statt einer zusätzlichen MCP, die

besonders bei der Messung von Polymerverteilungen eine Übersättigung der letzten Stufe des

Detektors verursachen würde, wird eine Kombination aus einem Szintillator34 und einem

Photomultiplier35 verwendet. Die von der MCP ausgestrahlten Elektronen werden nochmals

in einem elektrischen Feld beschleunigt, damit eine effektive Umwandlung in Photonen im

Szintillator gewährleistet ist. Aus den am Photomultiplier auftreffenden Photonen wird

schließlich eine Elektronenlawine ausgelöst. Leider führt dieser sogenannte HIMAS™-

Detektor zu einer Verminderung der Auflösung bedingt durch die Zeitunschärfe bei der

Umwandlung der Analytionen in Fragmentionen, sekundäre Ionen und Elektronen.


14

R R

0 V Hochspannung

IonenSekundäreElektronen

1. Channel plate 2. Channel plate

R R

0 V Hochspannung

Ionen Elektronen

Channel plate

SekundäreElektronen

und kleine Ionen

Konversionsdynode SzintillatorPhotomultiplier

Photonen

R

Elektronen

a

b

Abbildung 3: Schema der angewendeten Detektoren. a) dual-MCP-Detektor; b) HIMASTM-Detektor


15

II.3. Post-Source Decay

II.3.1 Das Prinzip des „Post-Source Decay’s“

MALDI ermöglicht einen sehr schonenden Desorptionsprozeß (s. Einleitung), so daß Analyte

mit hohem Molekulargewicht (bis einige Hunderttausend Da) als intakte Ionen desorbiert

werden können. Auf diese Weise wird in den meisten Fällen eine prompte Fragmentierung,

d.h. ein schon in der Ionenquelle stattfindender Zerfall, vermieden. Dagegen unterliegt ein

Teil der desorbierten Analytionen einem metastabilen Zerfall, der erst nach Verlassen der

Beschleunigungszone stattfindet. Dieser metastabile Zerfall wurde 1991 erstmals in einem

MALDI-TOF-Massenspektrometer von Kaufmann et al. an Peptiden untersucht36,37,38 und als

„Post-Source Decay“ (PSD) bezeichnet.

Die zum PSD benötigte Aktivierungsenergie stammt aus den Zusammenstößen der

Analytmoleküle entweder mit Matrixmolekülen während des Desorptions-

/Ionisationsprozesses (in der Ionenquelle des Massenspektrometers) bei der „Plume

Expansion“ (hoher lokaler Druck) sowie bei der Beschleunigung. Aktivierung erfolgt

ebenfalls durch Stöße mit Restgasmolekülen, die trotz des hohen Vakuums noch im Flugrohr

des Massenspektrometers vorhanden sind.39 Diese zwei Ereignisse werden als „in-source“-

bzw. „in-flight“-Aktivierung bezeichnet. Bei einem typischen Restgasdruck von ca. 8x10-7

mbar, gemessen in der Driftstrecke, trägt allerdings die „in-flight“-Aktivierung kaum zum

PSD bei.40 Dieser Einfluß kann aber stark erhöht werden, indem ein Gas nach der

Beschleunigungszone eingelassen wird. Dieser stoßinduzierte Zerfall wird dann „Collision

Induced Decay“ (CID) oder „Collisionally Activated Dissociation“ (CAD) genannt. Diese

alternative Aktivierungsmethode wurde im Rahmen dieser Arbeit nicht angewendet. An dieser

Stelle soll erwähnt werden, daß bei der Messung von Peptiden schon bei

„Schwellenlaserleistung“ öfter PSD festgestellt wird,36 während bei der Untersuchung

synthetischer Polymere eine starke Erhöhung der Laserleistung, die eine Zunahme der Stöße

in der Quelle bewirkt, notwendig ist.

Das aktivierte Mutterion zerfällt auf dem Weg zum Reflektor und spaltet sich in ein geladenes

Fragment (dieses Fragment wird weiter als PSD-Fragment bezeichnet) und ein Neutralteilchen

auf. Da dieser Zerfall erst auf der Driftstrecke stattfindet, fliegen die Fragmente mit der

gleichen Geschwindigkeit wie die des Mutterions weiter. Sie treffen auf den Lineardetektor


16

zum gleichen Zeitpunkt wie das Mutterion und sind daher im Linearmodus nicht zu

beobachten. Dagegen können die PSD-Fragmente im Reflektormodus analysiert werden. In

der Tat haben die PSD-Fragmente in der Driftstrecke zwar die gleiche Geschwindigkeit wie

die des Mutterions und fliegen somit zum gleichen Zeitpunkt in den Reflektor hinein,

allerdings mit einer niedrigeren kinetischen Energie, Ef, die durch Gleichung 3 gegeben ist:

f M

fE EmM

= × Gleichung 3

Ef kinetische Energie des PSD-Fragments in der Driftstrecke

EM kinetische Energie des Mutterions in der Driftstrecke

=Eacc ; Beschleunigungsenergie

mf Masse des PSD-Fragments

M Masse des Mutterions

Infolgedessen dringen die Fragmentionen nicht so tief in den Reflektor ein wie die

Mutterionen. Sie verlassen den Reflektor früher und treffen am Reflektordetektor früher als

das Mutterion auf (s. Abbildung 4).

Detektor

Reflektor

Driftstrecke Vref

5 6 0 5 8 0 6 0 0 6 2 0 6 4 0 6 6 0 6 8 0 7 0 00

2 0 0 0

4 0 0 0

6 0 0 0

8 0 0 0

1 0 0 0 0

a .i .

m / z

Mutterion

PSD Fragmente

Vacc

Quelle

+ +

++ +

Abbildung 4: Schema des in einem MALDI-TOF-Massenspektrometerablaufenden PSD-Prozesses


17

PSD bietet also die Möglichkeit, Strukturinformationen über die Analytmoleküle zu

gewinnen. Dieses wurde zuerst 1992 von Kaufmann et al.37 anhand von Peptiden gezeigt und

wird seitdem in der Biochemie eingesetzt z.B. bei der Peptidsequenzierung. Ziel dieser Arbeit

ist es, die PSD-Fragment-Technik bei der Analyse synthetischer Polymere anzuwenden und zu

zeigen, daß somit nützliche Informationen über die chemische Struktur erhalten werden

können. Dafür wird die von Bruker eingerichtete FAST™- Methode (Fragment Analysis and

Structural TOF) benutzt, deren Prinzip im folgenden Kapitel kurz erklärt wird.

II.3.2 Aufnahme eines PSD-Massenspektrums mit der FAST™-Methode

Um PSD-Fragment-Massenspektren auswerten zu können, muß zunächst gewährleistet

werden, daß tatsächlich alle Fragmente vom gleichen Mutterion stammen. Dafür werden

durch ein elektrisches „Gate“ Ionen mit einer definierten Masse von allen anderen Ionen

abgetrennt. Dieses Gate wird im Falle einer reinen, monodispersen Probe, wie z.B. bei reinen

Peptiden nicht zwingend benötigt, wird aber unumgänglich im Fall von Mischungen oder bei

der Messung synthetischer Polymere, die eine Massenverteilung aufweisen. Das Gate besteht

aus einem elektrischen Feld, das auf dem Weg zum Reflektor, orthogonal zur Flugrichtung

angelegt wird (s. Abbildung 5). Durch sukzessives An-, Aus- und wieder Anschalten des

Gates können Ionen mit niedrigeren sowie höheren Massen abgelenkt werden, während die zu

untersuchenden Ionen ungestört durch das Gate weiterfliegen. Der Vorteil dabei ist, daß das

Gate auch für PSD-Fragmente der ausgewählten Moleküle durchlässig ist, da die PSD-

Fragmente mit gleicher Geschwindigkeit, d.h. zum gleichen Zeitpunkt, das Gate durchfliegen.

Im Reflektormodus werden dann sowohl intakte Mutterionen der ausgewählten Masse sowie

ihre PSD-Fragmente detektiert (s. Abbildung 4).

Allerdings werden die PSD-Fragmente auf dem Reflektordetektor mit einer falschen Masse

detektiert, da ihre kinetische Energie nur einem Teil der Beschleunigungsenergie entspricht (s.

Gleichung 3). Im Vergleich zu Ionen der gleichen Masse, die schon in der Quelle vorhanden

wären und die volle Beschleunigungsenergie besäßen, erreichen die PSD-Fragmente den

Reflektordetektor zu einem späteren Zeitpunkt. Es muß daher eine Kalibrierung der PSD-

Fragmente vorgenommen werden. Sie erfolgt durch eine Zuordnung der auftretenden

Fragmentmassen zu den tatsächlichen Molekulargewichten dieser Fragmente. Sie wird mit

einem Peptid durchgeführt, dessen Fragmente bekannt sind und eindeutig zugeordnet werden

können (s. Experimenteller Teil, S. 222).


18

Vacc

Quelle

Vgate

Detektor

Reflektor

DriftstreckeVref

gate aus

gate an

400 600 800 1000 1200 14000

2000

4000

6000

8000

10000

a.i.

m/z

400 600 800 1000 1200 14000

2000

4000

6000

8000

10000

a.i.

m/z

Vgate

t(m/z)

a

b

Abbildung 5: Prinzip des elektrischen Gates, um ein definiertes Signal (Mutterion-Signal) zu selektieren. a) MALDI-TOF-Massenspektrum eines Polyethylenglykols;b) MALDI-TOF-Massenspektrum nach Auswahl eines definierten Signals.i

Eine weitere Schwierigkeit bei der Aufnahme eines PSD-Fragment-Massenspektrums liegt in

der Tatsache, daß zunächst nur große Fragmente (mf>0.75xM) detektiert werden können. Dies

hat zwei Gründe. Erstens dringen kleinere Fragmente nicht tief genug in den Reflektor ein und

bleiben somit in einem Bereich mit geringerem Flugzeitdispersionsvermögen. Sie werden

zusammen reflektiert und erzeugen einen einzigen breiten Peak am linken Ende des PSD-

Spektrums. Zweitens werden Fragmente mit erheblich kleineren Massen als das Mutterion

aufgrund ihrer kleineren kinetischen Energie auf eine falsche Flugbahn reflektiert, so daß sie

den Reflektordetektor gar nicht erreichen. Um ein vollständiges Spektrum aller PSD-

Fragmente aufzunehmen, werden bei der FAST-Methode in 15 Schritten mit immer kleiner

werdenden Reflektorspannungen einzelne Segmentspektren aufgenommen. In jedem dieser

i Die Spektren wurden mit einer Laserleistung an der Desorptions-/Ionisationsschwelle gemessen und weisen

daher noch keine PSD-Fragmente auf.


19

Segmente entspricht die Reflektorspannung einem anderen Massenbereich der Fragmente, so

daß sie auf dem Reflektordetektor differenziert werden können (s. Abbildung 6). Wurden alle

Segmente aufgenommen, können sie nach der entsprechenden Fragment-Kalibrierung

zusammengefügt werden und ergeben das PSD-Fragment-Massenspektrum des selektierten

Signals der zu untersuchenden Substanz.

Segment Nr.2VRef=27.2 kV

Segment Nr.3VRef=22.59 kV

Segment Nr.1VRef=30 kV

400 500

m/z

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

m / z

600 700

m/z

500 600

m/z

+

+

+ - - -

Abbildung 6: Aufbau eines PSD-Massenspektrums durch Zusammenfügen allerSegmentspektren mit Hilfe der FAST™-Methode

Hauptteil

20

III. Hauptteil

III.1. Charakterisierung von polymeranalogen Endgruppenreaktionen mit

MALDI-TOF-MS

Die MALDI-TOF-Massenspektrometrie ist eine äußerst leistungsfähige Methode, um

Endgruppenmodifikationen niedermolekularer Polymere nachzuweisen. Die Fülle der

Informationen, die aus einem einzigen MALDI-TOF Massenspektrum extrahiert werden

können, ist sonst nur unter Einsatz mehrerer verschiedener analytischer Methoden erhältlich.

Desweiteren gibt eine solche Untersuchung die Gelegenheit, die unterschiedlichen

Meßmethoden des Flugzeitmassenspektrometers ausführlich zu betrachten, um die passenden

instrumentellen Parameter auszuwählen, die eine Quantifizierbarkeit der Polymerverteilung

gewährleisten. Bevor jedoch die Motivation dieser Untersuchung näher begründet wird, sollen

zunächst die zu untersuchenden Proben, deren Synthese und Anwendung vorgestellt werden.

III.1.1 Synthese und Anwendung der zu untersuchenden

endgruppenmodifizierten Polyethylenglykole

Die endgruppenmodifizierten Polymere wurden von Astrid Lehmann (A.K. Prof. W. Goedel,

MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Berlin), die sich im Rahmen ihrer Doktorarbeit

mit Polymeren oberflächenmodifizierten Membranen (Polymerdekorierten Membranen)

beschäftigt, synthetisiert. Zur Untersuchung des Einflusses eines in einer Lipidmembran

verankerten Polymers auf das Membranverhalten, wurden wasserlösliche Polymere mit einer

hydrophoben Endgruppe hergestellt.41 Als wasserlösliche Polymere wurde Polyethylenglykol

(im Folgenden mit PEG abgekürzt) gewählt. Die hydrophobe Endgruppe hat die Funktion

einer Ankergruppe, die zur Anknüpfung an die Lipidmembran dient. Die

Oberflächeneigenschaften der Membran werden durch die Dichte des an der Membran

angeknüpften Polymers geändert. Dadurch kann z.B. die biologische Erkennung modifiziert

werden: polymerdekorierte Vesikel werden „unsichtbar“ gegenüber dem Immunsystem und

ihre Verweilzeit im lebenden Organismus kann verlängert werden. Das hydrophile Polymer ist

durch eine hydrolysierbare Bindung an die Ankergruppe gebunden, damit es von der

Membranoberfläche durch Änderung des pH-Wertes in situ abgekoppelt werden kann.42 Die

Synthesen der zwei Zielpolymere sind in Abbildung 7 und Abbildung 8 schematisiert. Für

Hauptteil

21

Polymer 3 wurde Cholesterin als Ankergruppe gewählt, da bekannt ist, daß es sich in

Lipidmembranen einlagert.43,44 Das Polymer 3 wurde aus der Reaktion von Mono-methoxy-

polyethylenglykol 1 mit Cholesteryl-chlorformiat 2 erhalten und enthält als hydrolysierbare

Bindung eine Carbonatbindung.

+ OCl

O

CH3O CH2CH2O H( )n

)n O

O

CH3O CH2CH2O(

1

3

2

Abbildung 7: Endgruppenmodifikation des PEGs 1

Für das Polymer 8 (s. Abbildung 8) wurde Fluorescein zwischen die Polyethylenglykol-Kette

und die Cholesteryl-Ankergruppe eingeführt, das als fluoreszierende Sonde wirkt und die

Bestimmung der eingelagerten Polymerkonzentration in der Membran durch

Fluoreszenzmikroskopie ermöglicht. Um zum Zielpolymer 8 zu gelangen, erfolgte zunächst

die Reaktion von Mono-methoxy-polyethylenglykolamin 4 mit dem Fluorescein-isothiocyanat

5 und anschließend die Reaktion des Zwischenproduktes 6 mit dem Cholesteryl-chlorformiat

7. Auch hier ist die hydrolyseinstabile Bindung, die jetzt zwischen dem Fluorescein und dem

Cholesteryl liegt, eine Carbonatbindung.

Hauptteil

22

O OHO

N

CO2H

CS

OCl

O

+CH2CH2O( )nCH3O CH2CH2NH2

O OO

N

CO2H

H

O

O

NC

S

H

)n

(CH3O CH2CH2O CH2CH2

O OHO

N

CO2H

H)n(CH3O CH2CH2O CH2CH2N

C

S

H

4

5

6

7

8

Abbildung 8: Endgruppenmodifikation des PEGs 4

Hauptteil

23

Die Produkte 3 und 8 wurden von deren Vorläufern 1 bzw. 4 mittels

Hochleistungsflüssigchromatographie (HPLC) getrennt. Dabei wurde die Tatsache genutzt,

daß die hydrophobe Modifizierung des Polyethylenglykols zu einer Veränderung des

Adsorptionsverhaltens des Polymers auf der Säule führt, die unterschiedliche Elutionszeiten

bewirkt.

III.1.2 Vorteile der Charakterisierung der endgruppenmodifizierten

Polyethylenglykole mit der MALDI-TOF-MS

Dank der relativ geringen Molekulargewichte der zu untersuchenden Proben (<10000 g/mol)

können die Endgruppenmodifikationen ebenfalls mittels NMR-Spektroskopie nachgewiesen

werden. In der Tat besitzen die Endgruppensignale eine noch ausreichende Intensität neben

den intensiven Monomersignalen.41 Außerdem gewährleisten die zuvor durchgeführten

HPLC-Trennungen, daß die im NMR-Spektrometer detektierten Endgruppen tatsächlich zu

Polymerketten verknüpft sind. Ungünstig ist dagegen, daß die „großen“ Substituenten

(Cholesteryl bzw. Cholesteryl-Fluorescein-Gruppe) sehr viele Signale im NMR-Spektrum

verursachen, die eine detaillierte Zuordnung erschweren. Einige Signale können aber trotzdem

eindeutig zugeordnet werden, deren Intensitäten die Bestimmung einer mittleren Zahl der

Monomere pro Endgruppe erlauben. Allerdings liefert die NMR-Spektroskopie nur einen

Mittelwert und keine Information über die Veränderung der Massenverteilung. Die

Verschiebung der Massenverteilung wäre ein zusätzlicher Nachweis der

Endgruppenmodifikation. Die GPC ist die wichtigste konventionelle Methode der

Polymeranalytik, die in der Lage ist, die Polymerverteilung zu beschreiben. Sie beruht auf der

Trennung von Polymeren aufgrund ihres hydrodynamischen Volumens in Lösung, das vom

Molekulargewicht abhängig ist. Leider ist die GPC nur eine Relativmethode und benötigt

strukturanaloge Kalibriersubstanzen. Zur Ermittlung der Molmassenverteilung eines Polymers

wird eine Kalibrierkurve erstellt, die mit Daten eines Polymerstandards (in unserem Fall PEG-

Standards) gewonnen wird. Aufgrund unterschiedlicher Einflüsse der Endgruppen auf das

hydrodynamische Volumen wird aber bei dieser Endgruppenmodifikation, die einen

besonders großen und starren Substituenten „involviert“, die Beziehung zwischen dem

hydrodynamischen Volumen des Polymerknäuls und der Molmasse verändert. Dadurch

werden die mittels der GPC ermittelten Molekulargewichte des endgruppenmodifizierten

Hauptteil

24

Polymers verfälscht.45,46 Auf Grund dieses Fehlers der GPC wurde die MALDI-TOF-

Massenspektrometrie eingesetzt.

In MALDI-TOF-Massenspektren sind die Signale von „niedermolekularen“ Polymeren (<104

g/mol) einzeln aufgelöst. Die hergestellten PEG’s liegen in diesem günstigen

Molmassenbereich, wodurch eine direkte Überprüfung der Endgruppenmodifikation

ermöglicht wird. In der Tat kann für jede Polymerkettenlänge die aus den Massenspektren

berechnete Masse der modifizierten Endgruppe mit der erwarteten Masse verglichen werden.

Weiterhin sollten die Endgruppenmodifikationen durch die Veränderung der

Molekulargewichtsmittelwerte überprüft werden können. Dies erfordert aber eine zuverlässige

Quantifizierung der Polymerverteilung mit der MALDI-Methode. Aus früheren

Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe und aus der Literatur ist bekannt, daß die MALDI-

TOF-MS für engverteilte Polymere (Polydispersität ca. 1,01-1,06) mit einheitlichen

Endgruppen richtige Mn- und Mw-Werte liefert.20,21 Für die vorhandenen engverteilten PEG’s

(Polydispersität ca. 1,01) können also die mit MALDI-TOF-MS ermittelten

Molekulargewichtsmittelwerte als zuverlässig betrachtet werden. Die theoretisch zu

erwartenden Mn- und Mw-Werte des gereinigten Zielpolymers werden berechnet und mit den

Molekulargewichtsmittelwerten aus der Spektrenauswertung verglichen. Die entwickelte

Methode für die Untersuchung der Änderung der Molekulargewichtsverteilung durch die

Endgruppenmodifikation des PEGs mittels MALDI-TOF-MS ist prinzipiell auf jedes

Polymersystem übertragbar, sofern die modifizierte Endgruppe ausreichend „schwer“ ist, um

die Molekulargewichtsverteilung des Polymers signifikant d.h. außerhalb statistischer

Meßfehler zu verschieben.

Endgruppenmodifikationen von PEG wurden bereits von Li et al.46 mit der MALDI-TOF-

Massenspektrometrie untersucht. Die aus dem Massenspektren ermittelten Mn- und Mw-Werte

erreichten aber nur 72% der theoretisch zu erwartenden Werte. Diese Tendenz wurde von

dieser Arbeitsgruppe mit anderen endgruppenmodifizierten PEG’s auch beobachtet, und als

Erklärung wurde eine Verkürzung der Polymerketten als typisches Verhalten des PEGs

während der Endgruppenmodifikation postuliert. Es soll nun anhand der von A. Lehmann zu

Verfügung gestellten endgruppenmodifizierten Polyethylenglykole überprüft werden, ob

dieses in der Literatur beschriebene Phänomen bestätigt werden kann. Zunächst müssen aber

die unterschiedlichen Meßanordnungen des Massenspektrometers hinsichtlich der

Quantifizierung einer Polymerverteilung ausführlich betrachtet werden. Erst dann ist eine

Hauptteil

25

zuverlässige Einstellung des Massenspektrometers möglich, um die Molmassenverteilung der

in der Ionenquelle entstandenen Polymerionen auf dem Massenspektrum zuverlässig

abzubilden.

III.1.3 Einstellung des Massenspektrometers zur wirklichkeitstreuen

Abbildung der Molmassenverteilung eines Polymers

Bei einer im Linearmodus mit einem „Dual-Microchannel-Plate-Detektor“ ausgeführten

Messung kann die auf dem Massenspektrum dargestellte Molekulargewichtsverteilung

verfälscht werden. In der Tat neigen dual-MCP-Detektoren zu einer schnellen Sättigung. Die

Matrix-Ionen sowie die Polymerionen mit den niedrigeren Massen der Verteilung bilden einen

sehr intensiven Ionenstrom, der auf den Detektor auftritt. Dies kann eine Sättigung des dual-

MCP-Detektors und damit eine entsprechende Diskriminierung der etwas später am Detektor

ankommenden Ionen am Hochmassenende einer Polymerverteilung verursachen. Mit dem

Einschalten des Deflektors werden Ionen mit niedrigeren Massen nach der

Beschleunigungsphase von der ionenoptischen Achse des Massenspektrometers abgelenkt, so

daß sie den Detektor nicht erreichen können. Damit wird aber oft die durch die Matrix-Signale

bedingte Detektorsättigung nicht vollständig vermieden: ein großer Teil der Matrix-Ionen

wird nach der Beschleunigung und vor dem Deflektor in geladene und neutrale Bruchstücke

zerfallen. Die geladenen Fragmente werden durch den Deflektor abgelenkt im Gegensatz zu

den neutralen Bruchstücken, die nach der gleichen Flugzeit wie das Mutterion den Linear-

Detektor erreichen.

Beim Einschalten des Reflektors werden aber diese störenden neutralen Bruchstücke vom

Reflektor nicht umgelenkt und erreichen den Reflektor-Detektor nicht. Im Reflektionsmodus

mit Deflektion kann also die durch die Matrix-Ionen bedingte Detektorsättigung vermieden

werden. Wenn die Polydispersität der Polymerprobe ausreichend niedrig ist, bleibt der

Ionenstrom der am Anfang der Polymerverteilung liegenden Ionen niedrig genug, so daß keine

Sättigung des dual-MCP-Detektors verursacht wird. In diesem Fall kann also die

Molekulargewichtsverteilung der Polymerionen, die vom Reflektor umgelenkt werden,

zuverlässig detektiert werden. Im Reflektionsmodus werden aber die vor dem Reflektor

zerfallenen Polymerionen nicht nachgewiesen. Infolgedessen wird die

Molekulargewichtsverteilung eines Polymers, das einen metastabilen Zerfall vor dem

Hauptteil

26

Reflektor erfährt, verfälscht, wenn der Anteil des metastabilen Zerfalls nicht für jede

Polymerkettenlänge gleich ist. Aus diesen Gründen kann das Massenspektrum eines

Polymers, das im Reflektionsmodus gemessen wurde, eine falsche

Molekulargewichtsverteilung widerspiegeln. Damit Molekulargewichtsverteilungen

engverteilter Polymere mit der MALDI-TOF-MS zuverlässig abgebildet werden können, muß

also das Massenspektrometer im Linearmodus mit einem übersättigungsunempfindlichen

Detektor betrieben werden. Solch einen speziellen Detektor stellt z.B. der sogenannte

HIMAS™-Detektor dar, der im Kapitel II.2.4 (s. S. 12) näher beschrieben wurde.

Wie ändern sich nun die aufgenommenen Molekulargewichtsverteilungen der in diesem

Kapitel betrachteten Polymerproben bei verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten des

Massenspektrometers? Abbildung 9 zeigt die Massenspektren des kommerziell erhältlichen

PEGs 4 unter drei verschiedenen Meßanordnungen des Massenspektrometers: im

Linearmodus mit einem dual-MCP-Detektor, im Reflektionsmodus mit einem dual-MCP-

Detektor und im Linearmodus mit dem HIMAS™-Detektor.

Hauptteil

27

4000 5000 6000 7000

m/z

a.i.

a)

b)

c)

CH2CH2O( )nCH3O CH2CH2NH2

4

LinearmodusMCP-Detektor(mit DE)

ReflektionsmodusMCP-Detektor(mit DE)

LinearmodusHIMAS-Detektor(ohne DE)

Abbildung 9: MALDI-TOF-Massenspektren von Polyethylenglykol 4aufgenommen im a) Linearmodus mit einem MCP-Detektori, b) Reflektionsmodusmit einem MCP-Detektori und c) Linearmodus mit einen HIMAS-Detektor.

i Die gute Auflösung ist auf die Verwendung der „Delayed-extraction“-Technik zurückzuführen

Hauptteil

28

Die Massenspektren in Abbildung 9a und Abbildung 9b wurden mit „Delayed Extraction“

(DE) gemessen (s. Kapitel II.2.3, S. 11) und zeigen daher eine hohe Auflösung. Dadurch

können die absoluten Massen jeder einzelnen Kettenlänge sehr genau bestimmt werden.

Dagegen zeigt das Massenspektrum in Abbildung 9c breitere Signale. Sie sind einerseits auf

die Anwendung der „normalen“ Ionenquelle (d.h. ohne „delayed extraction“) und andererseits

auf den Einsatz des HIMAS-Detektors zurückzuführen (s. Kapitel II.2.4, S. 12). In Tabelle 1

sind die aus den Massenspektren ermittelten Molekulargewichtsmittelwerte des PEGs 4 für

jede Meßanordnung zusammengestellt.

Tabelle 1: Ermittelte Molekulargewichtsmittelwerte des PEGs 4 aus den inAbbildung 9 dargestellten MALDI-TOF-Massenspektren

Meßanordnung MALDI-TOF-

Massenspektrum

Mn Mw

Linear - dual-MCP Detektor Abbildung 9a 5477 5564

Reflektion - dual-MCP Detektor Abbildung 9b 5508 5573

Linear - HIMAS-Detektor Abbildung 9c 5566 5624

Bei der Bestimmung der Molekulargewichtsverteilung macht sich der zuvor beschriebene

Unterschied zwischen den drei Meßanordnungen im Falle von Probe 4 kaum bemerkbar. Der

geringe Unterschied zwischen den aus den Massenspektren a und c (in Abbildung 9)

ermittelten Molekulargewichtsmittelwerten zeigt, daß der von den Matrix-Ionen ausgelöste

Ionenstrom nicht intensiv genug ist, um eine Übersättigung des dual-MCP-Detektors zu

verursachen. Eine Erklärung dafür ist die relativ niedrige benötigte Laserleistung, um das PEG

4 zu desorbieren und zu ionisieren, die wenig über der Ionisierungsschwelle der für diese

Messungen benutzten Matrix 1,8,9-Trihydroxyanthracen (Dithranol) liegt. Die Ähnlichkeit der

Molekulargewichtsverteilungen zwischen den im Reflektions- und den im Linearmodus

aufgenommenen Massenspektren (Abbildung 9 b bzw. a/c) deutet darauf hin, daß bei der

untersuchten Probe 4 kein metastabiler Zerfall der Polymerionen vor dem Reflektor

stattgefunden hat oder, wenn dieses doch geschehen ist, daß der metastabile Zerfall

kettenlängenunabhängig ist. Die Untersuchung der weiteren kommerziell erhältlichen Probe

PEG 1 zeigt ebenfalls ein ähnliches Verhalten gegenüber den drei Meßanordnungen.

Hauptteil

29

Dagegen zeigen die MALDI-TOF Massenspektren der endgruppenmodifizierten PEGs 3 und

8 eine wesentliche Abhängigkeit gegenüber der Linear- und Reflektormeßanordnung.

Abbildung 10 zeigt zum Beispiel die im Linear- und Reflektionsmodus aufgenommenen

MALDI-TOF Masssenspektren des PEGs 3. Die aufgenommene Molekulargewichtsverteilung

der Probe hat sich zwischen den zwei Meßanordnungen stark geändert. Das im Linearmodus

aufgenommmene Massenspektrum zeigt eine einfache Molekulargewichtsverteilung des PEGs

3 (s. Abbildung 10a), während das im Reflektionsmodus aufgenommene Massenspektrum

zwei ineinanderliegende Verteilungen zeigt (s. Abbildung 10b). Mit Hilfe der absoluten

Massen der Polymerketten können die zwei Verteilungen zugeordnet werden. Die im höheren

Massenbereich liegende Verteilung könnte auf PEG-Ketten 3 ohne „Fluorescein-Cholesterin“-

Gruppe zurückzuführen sein. Dies gilt es jedoch im folgenden zu klären. Außerdem weist die

Abhängigkeit des Intensitätsverhältnisses dieser zwei Verteilungen von der Laserleistung (s.

Abbildung 11) darauf hin, daß die unerwartete Verteilung auf eine Fragmentierung des PEGs

3 zurückzuführen ist.

Hauptteil

30

a)

b)

4000 5000 6000 7000

500

1000

1500

2000

2500

a.i.

m/z

4000 5000 6000 7000

500

1000

a.i.

m/z

Linearmodus

Reflektionsmodus

)n O

O

CH3O CH2CH2O(

3

Abbildung 10: MALDI-TOF-Massenspektren von PEG 3 aufgenommen im a)Linearmodus und b) Reflektionsmodus. Beide Massenspektren wurden mit der„Delayed-Extraction“-Technik und mittels eines MCP-Detektors aufgenommen.

Hauptteil

31

3000 4000 5000 6000 7000 8000

500

1000

a.i.

m/z

3000 4000 5000 6000 7000 8000

500

a.i.

m/z

3000 4000 5000 6000 7000 80000

500

1000

1500

2000

a.i.

m/z

a)

b)

c)

steigende Laserleistung

)n O

O

CH3O CH2CH2O(

3

Reflektormodus

Abbildung 11: MALDI-TOF-Massenspektren von PEG 3 gemessen im Reflektor-modus bei steigender Laserleistung: a) Laserleistung wenig über der Desorptions-Ionisationsschwelle; b) Leicht erhöhte Laserleistung; c) Hohe Laserleistung

Hauptteil

32

Da diese Verteilung im Linearmodus aber nicht nachgewiesen wurde, handelt es sich

höchstwahrscheinlich um einen metastabilen Zerfall, der nach der Beschleunigung und vor

dem Reflektor stattgefunden hat, d.h. ein sogenannter „Post-Source Decay“ (s. Kapitel II.3, S.

15). Um diese Vermutung zu überprüfen, kann mittels des elektronischen Gates (s. Kapitel

II.3.2, S. 17) ein definierter Peak der Massenverteilung des erwünschten PEGs 3 selektiert

werden. Abbildung 12b zeigt, daß mit den selektierten Polymerketten (m/z 5241 d.h.

Polymerisationsgrad n=108) ebenfalls PSD-Fragmente („scheinbares“ m/z 4870) auf dem

Reflektordetektor detektiert werden. Diese PSD-Fragmentierung findet für jeden

Polymerisationsgrad des PEGs 3 statt, so daß die bisher nicht eindeutig zuzuordnende

Verteilung daraus resultiert. Wie bereits im Kapitel II.3.2 (s. S. 17) erklärt wurde, werden aber

die PSD-Fragmente mit einer falschen Masse detektiert und benötigen eine besondere

Kalibrierung. Abbildung 12c zeigt zum Beispiel, daß das PSD-Fragment, das zu einer

„scheinbaren“ Masse von 4870 g/mol zunächst zugeordnet wurde, eigentlich eine Masse von

4828 g/mol besitzt. Dies entspricht der Masse einer Polymerkette des PEGs 3 mit 108

Wiederholungseinheiten nach dem Verlust der „Fluorescein-Cholesterin“-Gruppe.

Alle diese Betrachtungen zeigen, daß für eine zuverlässige und sichere Charakterisierung der

Probe besondere Aufmerksamkeit dem Betriebmodus des Flugzeitmassenspektrometers sowie

dem Detektortyp geschenkt werden muß. Die im folgenden betrachteten Massenspektren

wurden alle im Linearmodus mit dem HIMAS-Detektor aufgenommen, so daß zuverlässige

Molekulargewichtsverteilungen abgebildet und Rückschlüsse auf die Endgruppenmodifikation

anhand der Molekulargewichts-mittelwerte gezogen werden können. Bevor die Ergebnisse der

MALDI-TOF Messungen vorgestellt und interpretiert werden, sollen zunächst im folgenden

Abschnitt die theoretischen Molmassenmittelwerte Mn und Mw berechnet werden, die nach

einer Endgruppenmodifikation zu erwarten sind.

Hauptteil

33

4000 5000 6000

1000

2000

3000

4870

5241

a.i.

m/z

4000 5000 6000

0

1000

2000

3000

4828

5241

a.i.

m/z

4000 5000 6000

500

a.i.

m/z

a)

b)

c))108 O

O

CH3O CH2CH2O(

3

CH3O CH2CH2O( )108

M=5241 g/mol

M=4828 g/mol

Abbildung 12: Selektierung eines Peaks der Massenverteilung des PEGs 3 zumNachweis der nicht unterdrückbaren PSD-Fragmentierung. a) MALDI-TOF-Massenspektrum des PEGs 3 gemessen im Reflektormodus; b) Massenspektrumnach Selektierung des Peaks bei m/z 5241 - ohne Korrektur der Masse des PSD-Fragments; c) Massenspektrum nach Selektierung des Peaks bei m/z 5241 - mitKalibrierung des PSD-Fragments

Hauptteil

34

III.1.4 Die theoretisch zu erwartenden Molekulargewichtsmittelwerte

eines endgruppenmodifizierten Polymers

In unserem Fall muß die durch eine Engruppenmodifikation ausgelöste Änderung der Mn- und

Mw-Werte eines Polymers für nur eine modifizierbare Endgruppe berechnet werden. Es ist zu

betonen, daß das Massenspektrum des erhaltenen Polymers erst nach Reinigung des

Reaktionsprodukts aufgenommen wurde. Die detektierte Molmassenverteilung stellt also nicht

eine Mischung aus dem erhaltenen Polymer und dem nicht umgewandelten Ausgangspolymer

dar, sondern nur das reine Produkt der Endgruppenmodifikation. Die zu erwartenden

Molekulargewichtsmittelwerte des Reaktionsprodukts entsprechen also den

Molekulargewichtsmittelwerten des reinen Zielpolymers. Die Molmassendifferenz zwischen

den Ziel- und Ausgangsmolekülen der Sorte i (d.h. mit i Grundbausteinen) wird als ∆M

definiert und entspricht der Differenz zwischen der Molmasse der modifizierten Endgruppe

der Zielmoleküle und der zu modifizierenden Endgruppe der Ausgangsmoleküle. Nach der

Endgruppenderivatisierung wird jedes Signal des Zielpolymerspektrums von ∆M g/mol in

Vergleich zu dem betreffenden Signal des Ausgangspolymerspektrums verschoben. Für die

folgenden Rechnungen wird angenommen, daß alle Polymerketten mit derselben

Wahrscheinlichkeit reagieren. Dies kann leicht nachgeprüft werden, indem die Form der

Hüllkurve der Polymerverteilung sich nach Ablauf der Reaktion nicht ändern sollte und die

Mp-Werte sich um ∆M g/mol verschieben sollten. Unter Mp-Wert wird hier die Masse des

Peaks bezeichnet, die dem wahrscheinlichsten und damit dem intensivsten Punkt der

Molekulargewichtsverteilung entspricht. Mit der oben formulierten Annahme lassen sich die

Molmassenmittelwerte MnP und MwP (P steht hier für Produkt) des Zielpomers als Funktion

der Molmassenmittelwerte MnE und MwE (E steht hier für Edukt) des Ausgangspolymers

berechnen (mathematischer Beweis s. Anhang 1, S. 234) :

M M MnP nE= + ∆ Gleichung 4

MM M

M

M

MwPwE

nE

=+

++

∆∆ ∆

1

Gleichung 5

Hauptteil

35

Es ist zu betonen, daß die mit MALDI-TOF-MS zu untersuchenden Polymere sehr oft als

kationisierte Moleküle gemessen werden und daher die ausgewerteten Mn- und Mw-Werte den

Molmassenmittelwerten des Addukts mit dem Kation entsprechen. Theoretisch sollten die

ausgewerteten Mn- und Mw-Werte nach diesen Rechnungen korrigiert werden (∆M würde in

diesem Fall die Masse des Kations darstellen). Die angewendeten Kationen wie z.B. Li+, Na+,

K+ haben aber in der Praxis eine vernachlässigbare Masse im Vergleich zum

Auswertungsfehler und werden daher nicht berücksichtigt.

III.1.5 Darstellung und Auswertung der MALDI-TOF-Massenspektren

Die Proben der Edukte und Produkte wurden auf gleiche Weise präpariert und unter gleichen

Bedingungen analysiert, um ein Vergleich zwischen den Spektren zu ermöglichen. Bei den

abgebildeten Messungen wurde Dithranol als Matrix verwendet und Kaliumtrifluoracetat als

Kationisierungsreagenz zugesetzt. Abbildung 13a zeigt das erhaltene Massenspektrum für

positive Ionen des PEGs 1. Bei einer Auflösung von ca. m/∆m=600 zeigen sich hier Signale

jeder einzelnen Kettenlänge. Der Abstand der Signale untereinander beträgt 44 g/mol und gibt

das Molekulargewicht der Wiederholungseinheit wieder. Die absolute Masse einer jeden

detektierten Kettenlänge setzt sich aus der Masse aller Wiederholungseinheiten und der

Endgruppen zusammen. Die Endgruppen des käuflichen PEGs 1 sind bekannt und bestehen

aus einer Methoxygruppe und einem Wasserstoffatom. Rechnet man nun die absolute Masse

einer Polymerkette nach, so stellt man fest, daß ein Rest von 39 g/mol auftritt. Dieser

resultiert aus dem Zusatz von Kalium zur Matrix-Analyt-Mischung, das für die Ionisation

(Kationisierung) benötigt wird. Die Masse eines Signals errechnet sich somit aus folgender

Formel:

[ ]M g mol n/ , , , ,= ⋅ + + +44 05 31 03 1 01 39 1 Gleichung 6

n Anzahl der Wiederholungseinheiten

44,05 Isotopengemitteltes Molekulargewicht der Wiederholungseinheit

31,03 Isotopengemitteltes Molekulargewicht der Methoxygruppe

1,01 Isotopengemitteltes Atomgewicht des Protons

39,1 Isotopengemitteltes Atomgewicht von Kalium

Hauptteil

36

4000 5000 6000 7000 8000

m/z

a.i.

a)

b)

CH3O CH2CH2O H( )n

)n O

O

CH3O CH2CH2O(

1

3

Abbildung 13: MALDI-TOF-Massenspektren von a) PEG 1 und b) PEG 3.Verschiebung um die Masse einer Cholesterin-Einheit

Der aus dem Massenspektrum ermittelte Mp-Wert erreicht 5092,6 g/mol, der nach Gleichung

6 114 Wiederholungseinheiten entspricht. Die damit berechnete theoretische Masse von

5092,8 g/mol stimmt sehr gut mit dem gemessenen Wert überein.

Der Zusatz von Kalium als Kaliumtrifluoracetat zur Matrix-Analyt-Mischung ist zur

reproduzierbaren Bildung kationisierter Analytmoleküle notwendig. Wird auf eine Addition

von Kalium verzichtet, so wird kein Signal erhalten, oder die zu beobachtenen Signale sind

schwach und hängen von den in der Matrix-Analyt-Mischung vorkommenden zufälligen

Hauptteil

37

Verunreinigungen durch Metallspuren ab. Für jedes gemessene PEG wurde zusätzlich ein

Massenspektrum der Matrix-Analyt-Mischung aufgenommen, bei denen Natriumsalz statt

Kaliumsalz zugesetzt wurde. Zwischen der gemessenen und der theoretisch berechneten

Masse einer Polymerkette trat dann eine Differenz von 23 g/mol auf, die der Masse eines

Natriumatoms entspricht. Dadurch konnte der Ionisierungsmechanismus der untersuchten

PEG’s bestätigt werden: beim Zusatz des Kalium- bzw. Natriumsalzes zur Matrix/Analyt-

Mischung entspricht ein detektiertes Analytion einem Adduktion, das aus dem zugesetzten

Kation und einer intakten Polymerkette gebildet worden ist.

Abbildung 13b zeigt das erhaltene Massenspektrum für positive Ionen des PEGs 3, das durch

Endgruppenmodifikation aus dem PEG 1 gewonnen wurde. Die Masse einer detektierten

Kettenlänge ergibt sich somit als :


413,66 Isotopengemitteltes Molekulargewicht der „Cholesterylformiat“-Gruppe

Aus dem Massenspektrum wurde für eine PEG-Kette mit 114 Wiederholungseinheiten ein

Mp-Wert von 5505,1 g/mol ermittelt. Die mit 114 Wiederholungseinheiten nach Gleichung 7

berechnete theoretische Masse von 5505,5 g/mol stimmt sehr gut mit dem gemessenen Wert

überein.

In Tabelle 2 sind die Molekulargewichte, die aus den Massenspektren der PEG’s 1 und 3

errechnet wurden, sowie die theoretisch erwarteten Molmassen des PEG’s 3

zusammengestellt, die aus den gemessenen Molmassen des PEGs 1 berechnet wurden.

Hauptteil

38

Tabelle 2: Molekulargewichtsmittelwerte der PEG’s 1 und 3

Probe Mpa) nb) Mp (ber.)c) Mn

a) Mn (ber.)d) Mwa) Mw (ber.)e)

1 5092,6 114 5092,8 5160 - 5226 -

3 5505,1 114 5505,5 5556 5573 5607 5634

a Aus MALDI-TOF-Massenspektren ermittelte Molmassen. b Anzahl der Wiederholungseinheiten

berechnet aus dem gemessenen Mp-Wert. c Theoretischer Wert berechnet aus n nach Gleichung 6

bzw. Gleichung 7. d Theoretischer Wert berechnet aus dem gemessenen Mn-Wert des PEGs 1 nach

Gleichung 4. e Theoretischer Wert berechnet aus den gemessenen Mn- und Mw-Werte des PEGs 1

nach Gleichung 5.

Die Differenz zwischen dem gemessenen Mp-Wert des endgruppenmodifizierten PEGs 3 und

des Ausgangspolymers 1 erreicht einen Wert von 412,5 g/mol. Dies ist mit der theoretisch zu

erwartenden Differenz ∆M aus der Molmasse der modifizierten Endgruppe des Zielmoleküls

und der zu modifizierenden Endgruppe des Ausgangsmoleküls zu vergleichen (s. Abschnitt

III.1.4, S. 34). Bei der Endgruppenmodifikation des PEGs 1, die zum Zielpolymer 3 führen

soll, entspricht ∆M der Molmassendifferenz zwischen der „Cholesteryl-Formiat-Gruppe“ und

dem Wasserstoffatom mit einem Wert von 412,65 g/mol. Die Verschiebung des gemessenen

Mp-Wertes weist also nach, daß die erwünschte Endgruppenmodifikation tatsächlich

abgelaufen ist. Dies kann weiterhin durch die Änderung der Mn- und Mw-Werte bestätigt

werden. In der Tat stimmen die gemessenen Mn- und Mw-Werte des Zielpolymers 3

hervorragend mit den erwarteten Werten überein. Dies beweist außerdem, daß die

Endgruppenmodifikation bei allen Polymerketten des PEGs 1 mit derselben

Wahrscheinlichkeit abgelaufen ist. Dies war die nötige Hypothese, um die theoretisch zu

erwartenden Mn- und Mw-Werte des Zielpolymers 3 nach Gleichung 4 und Gleichung 5 als

Funktion der Mn- und Mw-Werte des Ausgangspolymers 1 auszudrücken (s. Anhang 1, S.

234).

Hauptteil

39

Ebenso läßt sich die in Abbildung 8 schematisierte Endgruppenmodifikation mit der MALDI-

TOF-Massenspektrometrie untersuchen. Abbildung 14a zeigt das erhaltene Massenspektrum

des kommerziell erhältlichen PEGs 4, deren Endgruppen aus einer Methoxy- und einer

Aminoethylgruppe bestehen. Die Masse, die jedem Signal entspricht, ergibt sich nach Formel:


44,08 Isotopengemitteltes Molekulargewicht der Aminoethylgruppe

4000 5000 6000 7000 8000 9000

m/z

a.i.

a)

b)


O OO

N

CO2H

H

O

O

NC

S

H

)n


4

8

Abbildung 14: MALDI-TOF-Massenspektren von a) PEG 4 und b) PEG 8.Verschiebung um die Masse einer Fluorescein-Cholesterin-Gruppe

Hauptteil

40

Der aus dem Massenspektrum ermittelte Mp-Wert erreicht 5488,6 g/mol, der nach Gleichung

8 122 Wiederholungseinheiten entspricht. Die damit berechnete theoretische Masse von

5488,3 g/mol stimmt sehr gut mit dem gemessenen Wert überein.

Das aufgenommene Massenspektrum des PEGs 8, das durch eine zweistufige

Endgruppenmodifikation aus dem PEG 4 hergestellt wurde, zeigt Abbildung 14b. Die Masse

einer jeden gemessenen Kettenlänge ergibt sich als:


846,11 Isotopengemitteltes Molekulargewicht der „Aminoethyl-Fluorescein-Cholesterin“-

Gruppe

Aus dem Massenspektrum wurde für eine PEG-Kette mit 122 Wiederholungseinheiten ein

Mp-Wert von 6290,4 g/mol ermittelt. Die mit 122 Wiederholungseinheiten nach Gleichung 9

berechnete theoretische Masse von 6290,4 g/mol stimmt sehr gut mit dem gemessenen Wert

überein.

Die aus den Massenspektren der PEG’s 4 und 8 errechneten Molekulargewichte sowie die aus

den gemessenen Molmassen des PEGs 4 berechneten Molmassen des PEGs 8 sind in Tabelle

3 zusammengefaßt.

Tabelle 3: Molekulargewichtsmittelwerte der PEG’s 4 und 8

Probe Mpa) nb) Mp (ber.)c) Mn

a) Mn (ber.)d) Mwa) Mw (ber.)e)

4 5488,6 122 5488,3 5566 - 5624 -

8 6290,4 122 6290,4 6296 6368 6352 6419

a Aus MALDI-TOF-Massenspektren ermittelte Molmassen. b Anzahl der Wiederholungseinheiten

berechnet aus dem gemessenen Mp-Wert. c Theoretischer Wert berechnet aus n nach Gleichung 8

bzw. Gleichung 9. d Theoretischer Wert berechnet aus dem gemessenen Mn-Wert des PEGs 4 nach

Gleichung 4. e Theoretischer Wert berechnet aus den gemessenen Mn- und Mw-Wert des PEGs 4 nach

Gleichung 5.

∆M entspricht jetzt der Molmassendifferenz zwischen der „Aminoethyl-Fluorescein-

Cholesterin“-Gruppe und der Aminoethylgruppe. Die aus der Verschiebung der Mp-Werte

Hauptteil

41

errechnete ∆M beträgt 801,8 g/mol und stimmt mit dem theoretischen Wert von 802,03 g/mol

sehr gut überein. Ebenfalls sind die gemessenen Mn- und Mw-Werte des Zielpolymers 8 in

guter Übereinstimmung mit den erwarteten Mittelwerten.

Die Untersuchung dieser zwei Endgruppenmodifikationen mit der MALDI-TOF-

Massenspektrometrie lassen also eindeutig auf erfolgreiche Umwandlungen der PEG‘s 1 und

3 schließen. Dieses Ergebnis widerlegt das Postulat, das von Li et al. aufgeschlagen wurde,

wonach Polyethylenglykole eine systematische Verkürzung der Polymerkette während einer

Endgruppenmodifikation erfahren.46 Es zeigt weiterhin, daß bei der Quantifizierung mittels

MALDI, die ohnehin ein sehr schwieriges Thema darstellt, die Einstellung der instrumentellen

Parameter eine wesentliche Rolle spielt. Der Betriebmodus des Flugzeitmassenspektrometers

und der Detektortyp müssen so ausgewählt werden, daß die gemessene Polymerverteilung

möglichst wirklichkeitsgetreu abgebildet wird. Sofern die Auswirkung dieser instrumentellen

Parameter vernachlässigt wird, treten derart starke Diskriminierungseffekte beim Nachweis

der Polymerverteilung auf, daß es zu Fehlinterpretationen kommen kann, wie sie von Li et al.

beschrieben wurden.

Diese Endgruppenmodifikationen konnten mit der MALDI-TOF-MS so genau untersucht

werden, da die betreffenden PEGs im günstigen Molmassenbereich von 103-104 g/mol liegen

und eine sehr enge Molekulargewichtsverteilung besitzen (Polydispersität <1,06). Leider wird

eine derart niedrige Polydispersität höchstens durch anionische Polymerisation erreicht. Für

die übrigen synthetischen Polymeren werden mit MALDI-TOF-MS unzuverlässige

Molekulargewichtsmittelwerte ermittelt. Aus diesem Grund können die Endgruppen

üblicherweise nur durch die absoluten Massen der Polymerketten bestimmt werden. Dennoch

reicht in einigen komplizierten Fällen (z.B. bei unbekannten Nebenreaktionen) die absolute

Masse einer Polymerkette nicht aus, um die Endgruppen zu bestimmen. Zusätzliche

Informationen werden dann benötigt, die im Prinzip durch Fragmentionen-Analyse (PSD-

Analyse) erhalten werden können. Im Falle der untersuchten Polyethylenglykole 3 und 8

findet „post-source decay“ schon bei Bestrahlung der Probe mit einer Laserleistung knapp

über der Desorptions-/Ionisationsschwelle (s. S. 32) statt und verhindert die Bestimmung der

Polymerverteilung im Reflektormodus. Dennoch kann dieses Phänomen, das für PEG 3 und 8

unbeabsichtigt geschieht, zur Bestimmung der Polymerstruktur hilfreich sein. Im folgenden

Kapitel soll dargestellt werden, inwieweit die Fragmentionenanalyse zur Strukturaufklärung

synthetischer Polymere beitragen kann.

Hauptteil

42

III.2. Strukturaufklärung synthetischer Polymere mittels „Post-Source

Decay“-Untersuchungen

Ausschlaggebend für den Erfolg der MALDI-TOF-MS ist die Fähigkeit dieser Methode, sehr

schwere Moleküle (bis ca. 1 Million g/mol) intakt desorbieren und nachweisen zu können.

Dennoch ist die Methode am effektivsten im niedrigeren Massenbereich, in dem einzelne

Moleküle aus einer Polymerverteilung noch aufgelöst werden. Dieser günstige Massenbereich

erstreckt sich bis zu ca. 10.000 Da bei einer konventionellen MALDI-Quelle und kann seit der

Einführung von Flugzeitmassenspektrometern mit höherem Auflösungsvermögen („Delayed

Extraction“47,48,49 s. Kapitel II.2.3, S. 11) auf bis zu 50.000 Da50 erweitert werden. Ausgehend

von der detektierten absoluten Masse der einzelnen Polymerketten kann sowohl die Masse der

Wiederholungseinheit als auch die der Endgruppen berechnet werden. Diese Information,

zusammen mit der Kenntnis des Syntheseweges, ermöglicht eine schnelle und einfache

Überprüfung, ob die nach einer Polymerisation oder einer Funktionalisierung erwarteten

Endgruppen tatsächlich erhalten wurden. Aus diesem Grund wird MALDI im Vergleich zu

konventionellen Methoden wie NMR, UV, IR oder Titrierungstechniken für

Endgruppenbestimmungen immer öfter eingesetzt. Wenn die erwarteten Endgruppen

abwesend sind oder wenn das erhaltene Polymer ein Gemisch aus Ketten mit verschiedenen

Endgruppen darstellt, ist MALDI ebenfalls geeignet, um die Nebenprodukte zu bestimmen.

Dennoch reicht in komplizierten Fällen die absolute Masse der Polymerkette nicht aus, um die

Endgruppen zu charakterisieren. Ebenso sind konventionelle MALDI-Massenspektren von

Copolymeren meist schwieriger zu interpretieren aufgrund der Komplexität der

Polymerzusammensetzung. Zusätzliche Daten können prinzipiell aus Fragmentionen-

Analysen extrahiert werden. Dazu werden Moleküle mit einem definierten

Polymerisationsgrad ausgewählt und durch Beschuß mit höher Laserleistung fragmentiert, um

zusätzliche Strukturinformationen aus dem Fragmentierungsmuster zu gewinnen. Diese

Technik, die aus dem Phänomen des PSD-Zerfalls Nutzen zieht, wird seit 1992 bei

Biopolymeren angewendet und ist in der Lage, die Sequenz der Aminosäuren eines Peptids zu

bestimmen. Synthetische Polymere wurden aber mit dieser Methode zunächst nicht erforscht.

Der Grund war technischer Natur. Um aus einer Polymerverteilung Ketten mit einem

definierten Polymerisationsgrad selektieren zu können, war die Entwicklung eines

elektronischen Gates erforderlich, damit ausschließlich die Fragmente von nur einer

Molekülsorte untersucht werden können. In diesem Kapitel soll daher untersucht werden,

Hauptteil

43

inwieweit die Anwendung dieser Technik zur Polymeranalytik beitragen kann. Die

gewonnenen Informationen sollten die Auswertung eines normalen MALDI-Massenspektrums

in schwierigen Fällen erleichtern oder überhaupt erst ermöglichen. Hier wird die

Untersuchung mit PSD-Analyse zunächst am Beispiel eines Polycarbonats in Hinsicht auf die

Endgruppenbestimmung vorgestellt und anschließend auf ein Poly-para-phenylenethinylen-b-

Polyethylenoxid-Diblock-Copolymer im Hinsicht der Blocklängenbestimmung angewandt.

III.2.1 Endgruppenbestimmung von Polycarbonaten mittels PSD-Analyse

III.2.1.1 Unvollständige Endgruppenbestimmung einer komplexen Polycarbonat-

Probe mittels konventioneller MALDI-TOF-MS

PCA

n

O C

OCH3

CH3

O C

Abbildung 15 zeigt das MALDI-TOF-Massenspektrum der Polycarbonat-Probe PCA-1. Diese

Probe wurde in unserem Institut von Thomas Wagner synthetisiert. Die Polymerisation wurde

nach dem Phasengrenzflächen-Verfahren durchgeführt. Dabei wurde Phosgen in ein

Zweiphasengemisch eingeleitet, das aus Methylenchlorid und einer alkalischen wässrigen

4,4’-Dihydroxydiphenyl-2,2-Propan-Lösung (Bisphenol A) besteht. Durch kräftiges Rühren

und Zugabe von Triethylamin als Phasentransferkatalysator wurde die Polykondensation

beschleunigt. Als Regler wurde 4-tert-Butylphenol benutzt. Nach der Polymerisation wurde

die wässrige Phase abgetrennt und nach Waschen der organischen Phase das Polymer in

Methanol ausgefällt. Vom Syntheseweg wird also ein Polycarbonat (PCA) mit tert-

Butylphenoxy-Endgruppen (s. Struktur 9 in Abbildung 16) erwartet. Anstatt einer einzigen

Polymerverteilung stellt jedoch das Massenspektrum die Überlappung von sieben

Endgruppenverteilungen dar, die in Abbildung 15 mit S1 bis S7 gekennzeichnet sind.

Hauptteil

44

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 70000

250

500

750

1000

a.i.

m/z

1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

S7

S6

S5S4

S3

S2

S1

S7

S6

S5

S4

S3

S2

S1

S7

S6S5

S4

S3

S2

S1

m/z

Abbildung 15: MALDI-TOF-Massenspektrum der Polycarbonat-Probe PCA-1

Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Signalen innerhalb einer

Endgruppenverteilung spiegelt die Masse der PCA-Wiederholungseinheit wider. Die sieben

Verteilungen sollten erwartungsgemäß Polycarbonaten mit sieben verschiedenen Endgruppen

entsprechen. Die Signalserie S1 kann der erwarteten Struktur 9 mit tert-Butylphenoxy-

Endgruppen an beiden Kettenenden zugeordnet werden. Aufgrund des Synthesewegs, sind

auch mit Bisphenol A terminierte Polymerketten (s. Struktur 11 und 13 in Abbildung 16)

denkbar, sowie zyklische Strukturen (s. Struktur 14 in Abbildung 16), die aus dem Angriff

einer Phenoxid-Endgruppe an der am anderen Ende der Kette liegenden Carbonyl-Funktion

resultieren. Diese möglichen Strukturen passen zu den Verteilungen S3, S5 bzw. S6. Dagegen

können die übrigen Verteilungen S2, S4 und S7 nicht unmittelbar zugeordnet werden.

Hauptteil

45

MX , n , MY ????

M=177.2+nx254.29+149.2

M=1.0+nx254.29+149.2

M=1.0+nx254.29+227.3

M=nx254.29

MX , n , MY ????

MX , n , MY ????

9

O C O C

CH3

CH3

CH3

OO

H3CCH3

CH3

C

CH3

CH3

O C O C

n

O C YOCH3

CH3

X O C

n

O C O C

CH3

CH3

CH3

OCH3

CH3

H O C

n

O C YOCH3

CH3

X O C

n

O C O C

CH3

CH3

O

OHH

CH3

CH3

O C

n

CO

CH3

CH3 O

CO

n

O C

OCH3

CH3

X O C Y

n

10

15

14

13

12

11

Peakserie S1 in Probe PCA-1







Abbildung 16: Aufklärung der Polycarbonatendgruppen der Probe PCA-1 anhandeines konventionellen MALDI-TOF-Massenspektrums (s. Abbildung 15)

Hauptteil

46

In der Tat reichen die absoluten Massen der Polymerketten nicht aus, um die unbekannten

Endgruppen zu bestimmen. Die absolute Masse (M) einer Polymerkette setzt sich aus der

Summe der Massen der zwei Endgruppen (X und Y) plus der Masse der Wiederholungseinheit

(A) multipliziert mit dem Polymerisationsgrad (n) zusammen nach:

nAYXM ⋅++= Gleichung 10

Gleichung 10 stellt eine Gleichung mit zwei oder gar drei Unbekannten dar, wenn der

Polymerisationsgrad nicht genau bestimmt ist. Um diese drei übrigen Verteilungen (S2, S4

und S7) zuordnen zu können, werden weitere Informationen benötigt, die eventuell über eine

PSD-Analyse erhalten werden können. Zuvor muß aber das Fragmentierungsverhalten einer

Polycarbonat-Kette untersucht werden. Dazu wird ein Polycarbonat-Standard mit definierter

Struktur benutzt. Polymerketten mit einem definierten Polymerisationsgrad werden selektiert

und mit hoher Laserleistung fragmentiert.

III.2.1.2 Aufklärung des Fragmentierungsverhaltens von Polycarbonat

III.2.1.2.1 Bedeutung des Kationisierungsagens für das PSD-Massenspektrum

Bevor das Fragmentierungsverhalten vom Polycarbonat untersucht wird, soll in diesem

Abschnitt die entscheidende Rolle des Kationisierungsagens bei der Aufnahme eines PSD-

Massenspektrums betrachtet werden. Bei MALDI-TOF-Messungen werden Polycarbonate

üblicherweise als Addukt des Polymers mit Alkalimetallkationen detektiert.51,52,53,54,55 Die

Kationisierung der in dieser Arbeit untersuchten Polycarbonate kann tatsächlich durch Zugabe

von Lithium-, Natrium- oder Kaliumsalzen erreicht werden, wogegen jedoch nur die Lithium-

Addukte verwendbare Fragmentionen-Massenspektren liefern. Im Fall des mit Natrium oder

Kalium kationisierten Polycarbonats wird nur die Dissoziation des Kations vom Polymer

beobachtet, wenn die Bestrahlung der Probe mit ausreichender Laserleistung ausgeführt wird.

Dieses Verhalten kann durch Betrachtung der Konformation des kationisierten Oligomers in

der Gasphase erklärt werden. „Molecular Modelling“- und Ionenchromatographie-

Experimente mit Kronenether56 und PEG57 mit niederen Molekulargewichten weisen darauf

hin, daß sich das Oligomer um das Alkalimetallkation knäult, so daß viele Heteroatome mit

dem Kation wechselwirken. Im Fall des ziemlich steifen Polycarbonats kann vermutet werden,

daß die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem nukleophilen Oligomer-Gerüst und

dem Kation nicht so stark wie beim PEG ist. Aufgrund seiner relativ hohen Ladungsdichte

Hauptteil

47

besitzt Li+ die stärkste Wechselwirkung mit dem Oligomer. Das Adduktion dissoziert bei der

in PSD-Experimenten angewendeten hohen Laserleistung nicht, so daß hier die

Überschußenergie im Molekül zu einem Bruch in der Hauptkette führt. Mit steigender Masse

des Kations sinkt aber die Bindungsenergie zwischen Kation und Oligomer, wobei die

Dissoziation des Na+- oder K+-Kations vom Oligomer im Fragment-Massenspektrum

vorherrscht. Dieses für Polycarbonat beobachtete Phänomen kann mit MALDI-CID-

Messungen eines mit Na+ kationisierten Polyethylenterephtalates58 verglichen werden, in dem

ebenfalls die Fragmentionen das Kation meist nicht behalten. Im Falle vom

Polyethylenterephtalat findet aber ein Ladungsaustausch statt, so daß trotz des Kationverlusts

Fragmentionen (Radikalkationen) detektiert werden. Beim PSD von Polycarbonat wird

dagegen kein geladenes Fragment detektiert, so daß keine Strukturinformation erhalten

werden kann. Infolgedessen wurden die Fragment-Untersuchungen des PCs ausschließlich mit

lithiumkationisierten Oligomerketten durchgeführt.

III.2.1.2.2 Fragmentanalyse von PCA

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0

2000

4000

6000

1096.2 (n=3)

a.i.

m/z

n

OC

O

H3C

CH3

CH3

C O O C O C

CH3

CH3

CH3

OCH3

CH3

C

9

Abbildung 17: MALDI-TOF-Massenspektrum des Polycarbonat-Standards PCA-2

Hauptteil

48

Abbildung 17 zeigt das MALDI-TOF-Massenspektrum des kommerziell erhältlichen

Polycarbonat-Standards PCA-2, der mit tert-Butylphenol an beiden Kettenenden terminiert ist

(s. Struktur 9). Diese vom Lieferant angegebene Strukturinformation stimmt mit dem

Massenspektrum überein. Da Li+ als Kationisierungsagens gebraucht wurde und da jedes

Signal einem bestimmten Polymerisationsgrad entspricht, ist das Masse-zu-Ladungsverhältnis

eines Signals der PCA-Verteilung gegeben durch:

m z PCA n( ) , , , ,− = + ⋅ + +2 177 2 254 29 149 2 6 9 Gleichung 11

Wobei 177,2 und 149,2 der Masse der 4-tert-Butylphenoxycarbonyl- bzw. 4-tert-

Butylphenoxy-Endgruppe entsprechen, n dem Polymerisationsgrad, 254,29 der Masse der

Wiederholungseinheit und 6,9 der Masse des Lithiumkations.

Mit Hilfe des Ionen-Gates wurde dann das Trimer der linearen PCA-Struktur 9 selektiert, das

mit Lithium kationisiert ist (m/z 1096,2). Das entsprechende PSD-Massenspektrum ist in

Abbildung 18 dargestellt.

0 200 400 600 800 1000

0

2500

5000

7500

10000

12500

[M+Li]+

1096.2

904.3

649.6

395.5141.1

a.i.

m/z

OC

O

H3C

CH3

CH3

C O O C O C

CH3

CH3

CH3

OCH3

CH3

C

3

9

Abbildung 18: PSD-Massenspektrum des Trimers von PCA 9

Hauptteil

49

Das Massenspektrum wird von einer Serie von Fragmentionensignalen bei m/z 904,3- 649,6-

395,5 und 141,1 dominiert. Die Massen wurden mit einer Genauigkeit von ca. ±0,4 g/mol

ermittelt. Der Unterschied zwischen zwei sukzessiven Peaks der Serie entspricht 254 g/mol,

der Masse der PCA-Wiederholungseinheit. Alle Fragmente sind ein Teil des Mutterions, das

eines der Kettenenden und das Lithiumkation enthält. Um die Entstehung dieser Fragmente zu

erklären, können zwei mögliche Fragmentierungsmodelle vorgeschlagen werden (s. Schema

1). Das Modell A ist analog zu einem Modell, das für die mittels Elektronenstoßionisation

(EI)59,60 und Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS)61 gemessene Fragmentierung von

PCA-Ionen vorgeschlagen wurde. Dabei werden eine zum zentralen Kohlenstoffatom der

Bisphenoleinheit gebundene Methylgruppe, Kohlendioxid und das Kettenende (d.h. 4-tert-

Butylphenyl im Fall des größten Fragments bei m/z 904,3 detektiert) abgespalten.

A

- CH3 ,

- CO2 ,

und - B

Kettenbruch

und

Wasserstoff-Übertragung

Li+

CH3

O C

CH3

CH3

H

Li+

C

CH3

CH3

O C

O

O

Li+

Schema 1: Mögliche Fragmentierungsmechanismen des linearen PCAs

Das von uns vorgeschlagene Fragmentierungsmodell B beruht auf der Spaltung des

Oligomergerüsts zwischen einem Phenylring und einer Carbonatfunktion, bei der ein

Wasserstoffatom übertragen wird. Ausgehend vom Fragment-Massenspektrum des PCA 9

kann nicht entschieden werden, welches der zwei möglichen Modelle tatsächlich vorliegt, da

die zwei möglichen Fragmentstrukturen sich nur um 0,036 g/mol unterscheiden

Hauptteil

50

(Massenunterschied zwischen CH4 und O). In beiden Fällen kann das Masse-zu-

Ladungsverhältnis der Hauptfragmentionen, die eine der Kettenende beinhalten,

folgendermaßen berechnet werden:

9,60,1529,2542,149)(/ +−⋅+= mFragmentzm mit m= 0...3 Gleichung 12

Dabei entspricht 149,2 der Masse der 4-tert-Butylphenoxy-Endgruppe, m der Zahl der PCA-

Wiederholungseinheiten des Fragments (3 für das größte Fragment und 0 für das kleinste),

254,29 der Masse der PCA-Wiederholungseinheit, 15,0 der Korrekturmasse (deren Zuordnung

abhängig vom Fragmentierungsmechanismus ist) und 6,9 der Masse des Lithiumkations.

Falls das Fragmentierungsverhalten des PCA-Gerüsts allen linearen Strukturen gemeinsam

d.h. unabhängig von den Endgruppen ist, kann eine Gleichung aufgestellt werden, mit der die

Masse der unbekannten Endgruppen mit Hilfe der Fragmentmassen bestimmt werden können.

Zunächst soll untersucht werden, welcher Fragmentierungsmechanismus für PCA tatsächlich

stattfindet. Dafür wird ein anders substituiertes Polycarbonat der Fragmentierungsanalyse

unterzogen, dessen Struktur eine Unterscheidung von Modell A und Modell B ermöglichen

sollte.

III.2.1.2.3 Fragmentanalyse von PCB

PCB

n

O C

OCH2

CH2

O C

CH3

CH3

Das Polycarbonat PCB, welches aus 4,4’-Dihydroxydiphenyl-3,3-pentan erhalten wurde,

sollte ermöglichen, die Zweideutigkeit bezüglich des Fragmentierungsmechanismus zu klären,

da das zentrale Kohlenstoffatom der Bisphenoleinheit mit Ethyl- statt mit Methyl-Gruppen

substituiert ist. Die Probe wurde ebenso mit dem zuvor beschriebenen Phasengrenzflächen-

Verfahren hergestellt und das MALDI-TOF-Massenspektrum weist sowohl eine lineare als

auch eine zyklische Struktur nach. Die lineare Struktur ist mit 4-tert-Butylphenol an beiden

Kettenenden terminiert. Diese Probe wurde ebenfalls von Thomas Wagner synthetisiert.

Hauptteil

51

III.2.1.2.3.1 Fragmentierung der linearen PCB-Struktur

Abbildung 19 zeigt das PSD-Massenspektrum des linearen PCB-Pentamers 16, das als

Lithium-Addukt bei 1745,1 g/mol detektiert wird. Drei Fragmenthauptserien a, b und c

werden beobachtet. Bei der Serie a (m/z 1538,8- 1256,4- 974,2- 691,7) entspricht der Abstand

zwischen zwei aufeinander folgenden Signale der Masse der PCB-Wiederholungseinheit (282

g/mol). Die am zentralen Kohlenstoffatom der Bisphenoleinheit gebundene Ethylgruppe,

Kohlendioxid und das Kettenende werden abgespalten. Das Fragmentierungsverhalten stimmt

also mit Modell A überein. Die Struktur des erhaltenen Fragments ist in Schema 2 abgebildet.

Die Serie b (m/z 1495,2- 1212,9- 930,2- 647,8) ist durch Peaks charakterisiert, die mit 44

g/mol weniger als Serie a detektiert werden. Dieser Massenunterschied kann einem weiteren

Verlust einer Methyl- und einer Ethyl-Seitengruppe zugeordnet werden, was zu der in Schema

2 oben abgebildeten Struktur führt.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

0

2500

5000

7500

10000

c

c

c

baa

bbbaa

[M+Li]+

1745.1

a.i.

m/z

5

OC

O

H3C

CH3

CH3

C O O C O C

CH3

CH3

CH3

OCH2

CH2

C

CH3

CH3

16

Abbildung 19: PSD-Massenspektrum des linearen PCB-Pentamers 16

Hauptteil

52

Fragment a

Fragment b

Fragment c

CH2

OOC

O

OC

CH2

CH2

CH3

CH3 CH3

Li+

- Et,

- Me

- Et ,

- CO2 ,

and -

- Et,

- Me

C

CH2

CH2

O C

O

O

CH3

CH3

OC

O

O

CH2

C

Li+

CH2

OOC

O

OC

CH2

CH3

Li+

Mutterion

C

CH2

CH2

O C

O

O

CH3

CH3

OC

O

O

CH3

CH2

CH3

CH2

C

Li+

Schema 2: Vorgeschlagene Fragmentierungsmechanismen für PCB

Einem Wert von 44 g/mol entspricht auch der Abstand zwischen zwei sukzessiven Peaks der

Serie c (m/z 1700,9- 1656,9- 1612,9) und kann ebenso dem Verlust einer Methyl- und einer

Ethyl-Seitengruppe zugeordnet werden (s. Fragmentstruktur in Schema 2 unten).

Bemerkenswert ist die intensive Peak-Serie c, da sie nur durch Abspaltung der Seitengruppen

Hauptteil

53

(Spaltung von C-C-Bindungen) und ohne Fragmentierung des Polymerrückgrats entsteht, in

dem aufgrund der enthaltenen Sauerstoffatome Sollbruchstellen zu erwarten wären. Für die

Abspaltung der Seitengruppen könnte folgende Erklärung in Betracht gezogen werden. Nach

der Beschleunigung, in der Driftstrecke, wird der Energieüberschuß auf die gesamte

Polymerkette verteilt, so daß die Molekularbewegung (Schwingung, Rotation, Torsion...)

verstärkt wird. Da die Seitengruppe einen relativ hohen Freiheitsgrad im Vergleich zum

Polymerrückgrat besitzt, kann die Amplitude ihrer Bewegung zunehmen und ihre Abspaltung

verursachen. In der Tat wäre es denkbar, daß das Fragmentierungsverhalten eines

Makromoleküls von dessen Bewegungsverhalten beeinflußt wird. Dies wäre ein zusätzlicher

Parameter neben der Bindungsstärke des Moleküls und den Stabilisierungsmöglichkeiten der

Bruchstücke, von der die Fragmentierungswahrscheinlichkeit einer organischen Verbindung

sonst abhängt. In Hinsicht auf diese Theorie über die Fragmentierungsdynamik können

vergleichend auch die zyklischen PCA- und PCB-Strukturen untersucht werden.

Die beobachteten Peakserien a, b und c sprechen alle nur für den Fragmentierungs-

mechanismus A in Schema 1. Somit kann der zuvor erwähnte Mechanismus B des

Fragmentierungsverhaltens bei PCA durch die Untersuchung an PCB eindeutig

ausgeschlossen werden.

III.2.1.2.3.2 Fragmentierung der zyklischen PCA- und PCB-Strukturen

Abbildung 20 zeigt das PSD-Massenspektrum des zyklischen PCA-Hexamers 14, das bei

1532.7 g/mol als Lithium-Addukt detektiert wird. Wie bei den linearen PCA-Strukturen wird

eine Hauptserie a (m/z 1474,5- 1220,7- 966,8- 712,0 und 457,4) von Fragmentensignalen

beobachtet, die aus einer Spaltung der Hauptkette nach Modell A resultieren. Abbildung 21

zeigt das Schema dieses Fragmentierungsmechanismus für die zyklische PCA-Struktur.

Bemerkenswert ist, daß insgesamt vier Bindungen und davon zwei in der zyklischen PCA-

Hauptkette gespaltet werden, während bei einer linearen PCA-Struktur nur ein Bindungsbruch

in der Hauptkette stattfindet (s. Schema 1). Dies kann auf einen Mangel an Bewegungsfreiheit

der zyklischen Struktur zurückzuführen sein: Die zyklische Struktur ist starrer als die lineare,

und die Molekularbewegung führt leicht zur Fragmentierung. Zusätzlich tritt eine andere Serie

c von Signalen in der Nähe des Mutterions auf (s. Abbildung 20b), deren Abstand 15 g/mol

beträgt. Wie bei der Fragmentierung der linearen PCB-Struktur 16 (s. S. 51) ergeben sich

diese Fragmente aus der Abspaltung der Alkyl-Seitenketten (hier Abspaltung der Methyl-

Hauptteil

54

Substituenten). Die Signalintensitäten dieser Serie c sind aber deutlich schwächer als die der

Hauptserie a.

1300 1400 1500 1600

0

1250

2500

3750

5000

6250

1474.5

[M+Li]+

1532.7

a.i.

m/z

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

1250

2500

3750

5000

6250

457.4 712.0

966.8

1220.7

1474.5

[M+Li]+

1532.7

a.i.

m/z

a)

b)

14

a

aa

aa

cc

cccccc

6

COCH3

CH3 O

CO

Abbildung 20: a) PSD-Massenspektrum des zyklischen PCA-Hexamers 14 und b)Ausschnitt (1300<m/z<1600)

Hauptteil

55

Li+

Li+

Fragmentierung nach Modell A

C

CH3

CH3

O

....

O C

O

O C

CH3

CH3

O C

O

O C

CH3

CH3

O C

O

....

m=0...n-2

C

CH3

O

....

O C

CH3

O C

O

O

....

Abbildung 21: Vorgeschlagener Fragmentierungsmechanismus der zyklischenPCA-Struktur 14

Abbildung 22 zeigt nun das PSD-Massenspektrum des zyklischen PCB-Octamers 17, das als

Lithium-Addukt bei 2265,2 g/mol detektiert wird. Die Serie a, die eine zweifache Spaltung

des Polymerrückgrats erfordert, tritt hier nicht auf. Ein Bruch des PCB-Zyklus kann nicht

nachgewiesen werden. In der Tat müssen mindestens zwei Spaltungen im Zyklus stattfinden,

damit ein Bruch der Hauptkette nachgewiesen werden kann, da mit einem einzelnen Bruch

das resultierende Fragment sich nicht von der Masse des intakten Zyklus unterscheidet. Nur

die Fragmente der Serie c, die sich durch Abspaltung der Seitengruppen bilden, werden

detektiert und zwar mit hoher Intensität.

Hauptteil

56

1600 1800 2000 2200

0

2500

5000

7500

[M+Li]+

2265.2c

c

cc

a.i.

m/z

CO

CH2

CH2 O

CO

CH3

CH3 8

17

Abbildung 22: PSD-Massenspektrum des zyklischen PCB-Octamers 17

Mit zunehmender Länge der Alkylsubstituenten (von Methyl- zur Ethylseitenkette beim

Wechsel von PCA- zur PCB-Struktur) wird also die Abspaltung der Seitenkette gegenüber

dem Bruch der Hauptkette bevorzugt. Diese Beobachtung steht wiederum in Einklang mit

unserer zuvor dargestellten Theorie über die Fragmentierungsdynamik, wodurch die

Abspaltung der Seitenkette erklärt werden kann. Die Fragmentierung der zyklischen PCA-

Struktur zeigt in der Tat, daß die Methyl-Substituenten noch nicht „lang“ genug sind, damit

ihre durch Bewegung ausgelöste Abspaltung die Fragmentierung der Hauptkette unterdrücken

kann. Dagegen kann bei der zyklischen PCB-Struktur die überschüssige Energie durch die

Abspaltung des längeren Ethyl-Substituents dissipiert werden. Die Ethylseitenkette sind

relativ frei beweglich. Eine Steigerung der Amplitude ist daher möglich, die so zu ihrer

Abspaltung führen kann.

Hauptteil

57

III.2.1.2.4 Fragmentanalyse von PCZ

PCZ

n

O C

OO

Bei der Untersuchung des Fragmentierungsverhalten von Polycarbonat soll auch kurz das

Polycarbonat PCZ betrachtet werden, das aus 4,4’-Dihydroxydiphenyl-1,1-Cyclohexan

(Bisphenol Z) hergestellt wird. Das zentrale Kohlenstoffatom der Bisphenoleinheit ist jetzt

mit einem Cyclohexan substituiert, und die lineare PCZ-Stuktur ist ferner mit 4-tert-

Butylphenol terminiert (s. Struktur 18).

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0

1000

2000

3000

4000

5000

1880.2

1585.81291.1996.8702.3

[M+Li]+

2099.5

a.i.

m/z

6

OC

O

H3C

CH3

CH3

C O O C O C

CH3

CH3

CH3

O

18

Abbildung 23: PSD-Massenspektrum des linearen PCZ-Hexamers 18

Hauptteil

58

Das PSD-Massenspektrum des bei 2099,5 detektierten Hexamers 18 (s. Abbildung 23) ergibt

nur eine Serie von Fragmenten (m/z 1880,2- 1585,8- 1291,1- 996,8- 102,3). Der Abstand

zwischen zwei sukzessiven Peaks entspricht wieder wie in den Beispielen zuvor der Masse

der Wiederholungseinheit (294 g/mol für PCZ). Angenommen daß die Fragmentierung des

PCZ analog zu der von PCA und PCB abläuft, werden eine Spaltung der C1-C2-Bindung des

Cyclohexans sowie der Verlust von Kohlendioxid und des Kettenendes erwartet (s. Schema

3).

detektiertes Fragment

erwartetes Fragment

Li+

O

H2C.

O.

Li+Li+

O

CH2

.

1

2

O C

O

O

Li+

Spaltung der C1-C2-Bindung des Cyclohexans ,

- CO2 ,

und -

- C3H6

Schema 3: Vorgeschlagener Fragmentierungsmechanimus für das lineare PCZ

Hauptteil

59

Die Fragmente werden aber bei einer Masse 42 g/mol niedriger als erwartet detektiert. Wir

ordnen diesen Massenunterschied einem weiteren Verlust eines C3H6-Teils vom Cyclohexan

zu. Schema 3 zeigt eine mögliche Struktur des detektierten Fragments, die die Stabilisierung

des Bruchstücks und dadurch seine Bildungswahrscheinlichkeit erklären könnte.

Die durchgeführten Untersuchungen des Fragmentierungsverhaltens der PCA, PCB und PCZ

zeigen, daß das Fragmentierungsmuster der Polymerkette nicht ohne weiteres vorherzusagen

ist. Die Substituenten der Hauptkette spielen eine wesentliche Rolle, und ihre Abspaltung

kann sogar die Spaltung der Hauptkette unterdrücken. Die Kenntnis des

Fragmentierungsmusters ermöglicht es dann, eine genaue Endgruppenbestimmung mit Hilfe

des PSD-Massenspektrums durchzuführen. Danach kann eine allgemeine Methode entwickelt

werden, um die noch unbekannten Endgruppen der Probe PCA-1 zu bestimmen, wie im

folgenden Abschnitt beschrieben wird.

III.2.1.3 Entwicklung einer Methode zur Endgruppenbestimmung von PCA mittels

PSD-Analyse

Die vorigen Abschnitte untermauern, daß die PCA-Kette nach dem Modell A (s. Schema 1)

fragmentiert. Dies ermöglicht es, die zwei Kettenenden zu differenzieren und dadurch die

Massen der Endgruppen unabhängig voneinander zu bestimmen. Ausgehend vom

Fragmentierungsmuster der linearen PCA-Struktur 9 (s. Model A in Schema 1, S. 49) und von

der Annahme, daß die Fragmentierung der PCA-Kette von der Veränderung der Endgruppe

unbeeinflußt bleibt, kann die folgende Methode zur Endgruppenbestimmung entwickelt

werden. Die allgemeine Struktur einer linearen PCA-Kette wird wie folgt formuliert:

PCA

n

OX O C

OCH3

CH3

C Y

Aus dem konventionellen MALDI-TOF-Massenspektrum des intakten Polymers kann die

Summe der Endgruppen (Mx+My) ermittelt werden. Wie bei der Analyse der linearen PCA-

Struktur 9 kann eine Spaltung innerhalb der Hauptkette nach Modell A erwartet werden. Aus

diesem Fragmentierungmechanismus resultieren zwei Fragment-Hauptserien im PSD-

Massenspektrum. Alle Fragmente der gleichen Serie enthalten die gleiche Endgruppe X bzw.

Y und unterscheiden sich in der Anzahl der Wiederholungseinheiten. Diese Fragmente sind

alle Lithium-Addukte, so daß die erwarteten Massen sich folgendermaßen ausdrücken lassen:

Hauptteil

60

9,61,4329,254)__(/ +−⋅+= mMISerieFragmentzm X mit m=0...n Gleichung 13

9,60,1529,254)__(/ +−⋅+= mMIISerieFragmentzm Y mit m=0...n Gleichung 14

Dabei entsprechen Mx und MY der Masse der Endgruppen X bzw. Y, m der Zahl der im

Fragmention enthaltenen Wiederholungseinheiten, n dem Polymerisationsgrad des

Mutterions, 254,29 der Masse der PCA-Wiederholungseinheit, 43,1 und 15,0 den

Korrekturmassen und 6,9 der Masse des Lithium-Kations. Diese zwei Serien beschränken sich

natürlich auf eine einzige Serie im Fall einer symmetrischen Struktur (d.h. gleiche Endgruppe

an beiden Kettenenden). So können MX und MY unabhängig von einander bestimmt werden.

Als Überprüfung kann anschließend ihre Summe mit dem aus dem konventionellen MALDI-

TOF-Massenspektrum ermittelten Wert verglichen werden. Mit Hilfe dieser Methode sollen

nun die in der Probe PCA-1 enthaltenen Strukturen aufgeklärt werden.

III.2.1.4 Anwendung der Methode zur Endgruppenbestimmung der Probe PCA-1

III.2.1.4.1 GPC-Fraktionierung der Probe PCA-1 zur Ermöglichung der PSD-Experimente

Beim einfachen Selektieren eines Signals der in Abbildung 15 dargestellten Verteilung kann

zunächst kein PSD-Massenspektrum der PCA-1-Probe aufgenommen werden. Dieses Problem

läßt sich durch die niedrige Signalintensität des Mutterions erklären. Der Vergleich der von

PCA-1 und PCA-2 aufgenommenen MALDI-TOF-Massenspektren (s. Abbildung 15, S. 44

bzw. Abbildung 17, S. 47) zeigt die deutlich niedrigere relative Signalintensität der von Probe

PCA-1 detektierten Signale, die nur ein Zehntel der Signalintensität der Probe PCA-2 erreicht.

In der Tat verteilt sich der gesamte Ionenstrom im Falle der Probe PCA-2 auf die Signale nur

einer Polymerverteilung, während sich bei der Probe PCA-1 der Ionenstrom über sieben

Verteilungen verteilen muß, so daß die Intensität jedes einzelnen Signals kleiner wird. Beim

Betrachten des PSD-Massenspektrums der in Probe PCA-2 enthaltenen Struktur 9 (s.

Abbildung 18, S. 48), in dem die Intensität der Hauptfragmentionen kaum 10% der

Signalintensität des Mutterions darstellt, wird deutlich, daß die von einem Peak der PCA-1-

Polymerverteilung resultierenden Fragmentionen-Signale im Rauschen untergehen. Um dieses

Hindernis zu umgehen, muß also die Massenverteilung bei Probe PCA-1 künstlich eingeengt

werden, damit das Mutterionsignal eine ausreichende Intensität für die PSD-Analytik gewinnt.

Hierzu wird die PCA-1-Probe zuerst mittels GPC fraktioniert. Abbildung 24 zeigt die

Hauptteil

61

MALDI-TOF-Massenspektren der GPC-Fraktionen der Probe PCA-1 nach einer

Retentionszeit von 97, 98 und 99 min gesammelt wurden.

(a)

(b)

(c)

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

1000

2000

3000

4000

S 6

S 6

S7

S6

S 5

S4

S3

S 2

S1

S7

S 5

S 4

S 3

S 2

a .i.

m /z

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

1000

2000

3000

4000

S 7

S 6

S 6

S 5

S 4

S 3

S 2

S 1

a.i.

m /z

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 22000

1000

2000

3000

4000

S 7

S 5

S 4

S 3

S 2

S 5

S 1

S 7

S 6

S 6

a .i.

m /z

97 min

98 min

99 min

Abbildung 24: MALDI-TOF-Massenspektren der GPC-Fraktionen von ProbePCA-1 mit Retentionszeiten von a) 97 min, b) 98 min und c) 99 min

Hauptteil

62

Die absolute Intensität der Signale ist jetzt ausreichend, um PSD-Massenspektren messen zu

können. Es ist zu betonen, daß die Signale S6 bei jeder Fraktion bei höheren Massen als die

üblichen Signale auftreten. Dies läßt sich durch die entsprechende zyklische Struktur 14

erklären, die ein kleineres hydrodynamisches Volumen als die linearen Strukturen mit

gleichem Polymerisationsgrad aufweist.62 Die zyklischen Strukturen werden deswegen durch

GPC-Trennung zusammen mit linearen Ketten, die eine oder zwei Wiederholungeinheiten

weniger enthalten, eluiert. Ausgehend von diesen GPC-Fraktionen können nun PSD-

Massenspektren gemessen werden. Zunächst soll die im Kapitel III.2.1.3 zur

Endgruppenbestimmung entwickelte Methode an schon zugeordneten Strukturen überprüft

werden.

III.2.1.4.2 Überprüfung der Methode mit zugeordneten Strukturen

Wie erwartet führt die in der PCA-1-Probe enthaltene Struktur 9 (s. Abbildung 16, S. 45) zum

gleichen PSD-Massenspektrum wie beim PCA-2-Standard (s. Abbildung 18, S. 48). Dabei

stellen sich zunächst die mit MALDI zugeordneten Endgruppen dieser Struktur, nämlich die

tert-Butylphenoxy-Gruppen an beiden Kettenenden, als richtig heraus. Ebenfalls können die

im Kapitel III.2.1.1 vorgeschlagenen Strukturen 11 und 13 mit Hilfe der PSD-Analyse (s.

Massenspektren in Abbildung 25 bzw. Abbildung 26) bestätigt werden: die PCA-Kette ist an

einem bzw. an beiden Enden mit Bisphenol A terminiert. Die PSD-Massenspektren dieser drei

Strukturen deuten darauf hin, daß das Fragmentierungsverhalten der PCA-Kette trotz

Veränderung der Endgruppen ungestört bleibt. Dies spricht für die Anwendung der im Kapitel

III.2.1.3 entwickelten Methode, um die noch unbekannten Endgruppen der Strukturen 10, 12

und 15 zu bestimmen.

Hauptteil

63

0 200 400 600 800 1000 1200

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

I473.3

II141.2

I219.3

II395.4

II649.5

I728.3

II903.5

I982.2

II1157.7

[M+Li]+

1174.3

a.i.

m/z

11

4

O C O C

CH3

CH3

CH3

OCH3

CH3

H O C

Abbildung 25: PSD-Massenspektrum des PCA-Tetramers 11

0 200 400 600 800 1000 1200

0

2500

5000

7500

10000

12500

1235.8

[M+Li]+

1252.4

981.9

728.0

473.7219.3

a.i.

m/z

O C O C

CH3

CH3

O

OHH

CH3

CH3

O C

4

13

Abbildung 26: PSD-Massenspektrum des PCA-Tetramers 13

Hauptteil

64

III.2.1.4.3 Aufklärung der unbekannten Strukturen

Abbildung 27 zeigt das PSD-Massenspektrum des Octamers einer in der PCA-1-Probe

enthaltenen Struktur 10. Die einzige eindeutige Fragmentserie deutet auf eine symmetrische

Struktur hin. Mit Hilfe der entwickelten Methode wird für die Endgruppe eine Masse von 31

g/mol berechnet, die auf eine Methoxy-Gruppe schließen läßt (Struktur 10 s. Abbildung 30).

Diese unerwartete Terminierung kann nur durch Reaktion des PCA mit Methanol, das als

Fällungsmittel für die Aufarbeitung des Polymers benutzt wurde, erklärt werden. Eine

Veresterung des Polycarbonats mit Methanol ist aber im neutralen Medium unwahrscheinlich.

Im Anschluß an die Polymerisation sollte nach der Reaktionsvorschrift die organische Phase,

in der das Polymer gelöst ist, zunächst mit Natriumhydroxid dann mit Phosphorsäure und

abschließend mit Wasser gewaschen werden. Vermutlich waren aber nach Waschen des

Polymers noch Basen- bzw. Säurenspuren vorhanden, die beim Ausfällen die Veresterung des

Polymers mit Methanol begünstigen konnten.

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0

2000

4000

6000

8000

10000

531.5785.8 1040.1

1294.41548.7

1802.9

2057.2

[M+Li]+

2131.3

a.i.

m/z

Abbildung 27: PSD-Massenspektrum des PCA-Octamers 10

Ebenfalls wird eine Methoxy-Endgruppe bei den Strukturen 12 und 15 mit Hilfe der PSD-

Analyse nachgewiesen (s. PSD-Massenspektren in Abbildung 28 bzw. Abbildung 29),

Hauptteil

65

während das andere Kettenende mit t-Butylphenol bzw. Bisphenol A terminiert ist (s.

Strukturformeln in Abbildung 30).

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

0

2000

4000

II649.7

II904.0

II1158.3

II1412.6

II1666.9

II1921.1 II

2175.4

I531.8

I785.8

I1040.2

[M+Li]+

2249.5

I2056.3

I1803.7I

1549.2I1294.4

a.i.

m/z


200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

0

2000

4000

6000

II473.5

II727.7

II981.8

II1236.8

II1491.7

II1745.3

I2057.1

I531.2

I785.6

I1039.3

I1295.0

I1549.1

I1802.9

[M+Li]+

2073.3

II1999.2

a.i.

m/z


Hauptteil

66

10 M=59.0+nx254.29+31.0

12 M=177.2+nx254.29+31.0

15 M=1.0+nx254.29+31.0

O C O CH3

OCH3

CH3

H O C

n

O C O

O

CH3H3C

O CH3

CH3

O C O C

n

O C O CH3

OOH3C

CH3

CH3

C

CH3

CH3

O C O C

n

Abbildung 30: Aufklärung der unbekannten Strukturen der Probe PCA-1 mittelsPSD-Analyse

Beachtenswert ist die erfolgreiche Endgruppenbestimmung der Strukturen 10, 12 und 15, die

alleine mit dem konventionellen MALDI-TOF-Massenspektrum der PCA-1-Probe nicht

zuordenbar waren.

Am Beispiel der aus sieben Strukturen zusammengesetzten PCA-1-Probe konnte der Beitrag

der PSD-Analyse zur Endgruppenbestimmung aufgezeigt werden. Obwohl das konventionelle

MALDI-TOF-Massenspektrum die sieben Polymerverteilungen zeigen konnte, war die

Information über die absoluten Massen der Polymerketten unzureichend, um alle Strukturen

zu interpretieren, da nur die Summe der beiden Endgruppenmassen ermittelt wird. Erst durch

Anwendung der PSD-Analyse und die Bestimmung der beiden Endgruppen unabhängig

voneinander konnten die sieben Strukturen eindeutig charakterisiert werden. Diese Technik

stellt eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit der MALDI-TOF-Massenspektrometrie

auf dem Gebiet der Endgruppenbestimmung dar, während die konventionellen

Charakterisierungsmethoden (NMR, UV, IR) nicht konkurrieren können, um solche

komplizierten Fälle aufzuklären. Durch diesen Erfolg ermutigt, bot es sich an, die PSD-

Hauptteil

67

Analyse weiter an komplizierteren Strukturen als Homopolymeren anzuwenden. Im folgenden

Teil wird daher mit dieser Technik die Zusammensetzung eines Block-Copolymers

untersucht.

III.2.2 Bestimmung der Zusammensetzung eines PPE-b-PEO-Diblock-

Copolymers mittels PSD-Analyse

III.2.2.1 Probleme bei der Ermittlung der Copolymerzusammensetzung mittels

konventioneller MALDI-TOF-MS

Im Gegensatz zu Homopolymeren haben Copolymere zwei Heterogenitätsarten: zum einen

eine Heterogenität im Polymerisationsgrad, wie bei Homopolymeren, und zum anderen eine

Heterogenität in der chemischen Zusammensetzung (Verteilung der Comonomereinheiten

innerhalb der Kette). Der Polymerisationsweg bestimmt die Zusammensetzung des

Copolymers und führt zu alternierenden, statistischen oder Block-Copolymeren. Die zwei

Heterogenitätstypen eines Copolymers haben kompliziertere MALDI-TOF-Massenspektren

zur Folge als Homopolymere, da eine Überlappung mehrerer Peakverteilungen entsteht, die

die Bestimmung der Copolymerzusammensetzung erschwert. In diesem Teil der Arbeit wird

diese Problematik am Beispiel eines Diblock-Copolymers veranschaulicht, und ein möglicher

Ausweg durch den Einsatz der PSD-Analyse aufgezeigt.

Das zunehmende Interesse an Block-Copolymeren liegt zum größten Teil an ihrer

Phasentrennungseigenschaft.63 Sequenzen mit unterschiedlicher chemischer

Zusammensetzung sind in der Regel unverträglich (inkompatibel) und neigen zur

Phasentrennung. Die daraus resultierenden amphiphilen Eigenschaften in Lösung und die

Bildung von Mikrodomänen in der Festphase sind durch die molekulare Struktur bestimmt. Es

ist deshalb wichtig, das Molekül möglichst genau zu charakterisieren, um die Mikrostruktur

mit der makroskopischen Struktur korrelieren zu können. Im Falle von Rod-Coil-Block-

Copolymeren führt die Phasentrennung zu Domänen in einer Nanometer-Größenordnung.64

Dies ist sogar schon bei kleinen Polymerisationsgraden, aufgrund der hohen Unverträglichkeit

der Rod- und Coil-Segmente im Vergleich mit Coil-Coil-Block-Copolymeren zu beobachten.

Die Rod-Coil-Block-Copolymere ordnen sich spontan in definierten und stabilen

Nanostrukturen an und sind daher für elektrische und elektrooptische Anwendungen wie

„Light Emitting Diodes„ (LEDs), Photodioden oder Transistoren vielversprechende

Hauptteil

68

Kandidaten.65 Für solche Anwendungen ist Poly-para-phenylenethinylen (PPE) als steifes

Blocksegment ein guter Kandidat. PPEs besitzen in der Tat ein sehr steifes, konjugiertes π-

System und haben bereits im Bereich optischer und elektronischer Bauelemente

Aufmerksamkeit erregt.66 Ausgehend von einem steifen, hydrophoben PPE-Block 20 und

einem flexiblen, hydrophilen Polyethylenoxid-Block (PEO) 19 wurde in unserem Arbeitskreis

ein Rod-Coil-Diblock-Copolymer synthetisiert.67 Die Kondensation der zwei

monofunktionalisierten Homopolymere ist in Abbildung 31 gezeigt. Die Synthese des Poly-

para-phenylenethinylen-b-Polyethylenoxid-Diblock-Copolymers (PPE-b-PEO) 21 wurde von

Viola Francke im Rahmen ihrer Dissertation durchgeführt.

PEO PPE

PEO-b-PPE

m

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

+H3C O CH2 CH2 OH

m

n

Hexyl

Hexyl

O

HO

n

19

20

21

- H2O

Abbildung 31: Synthese des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21

Hauptteil

69

Das MALDI-TOF-Massenspektrum des entstandenen PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 ist

in Abbildung 32 dargestellt. Als Matrix wurde Dithranol verwendet und Kaliumtrifluoracetat

als Kationisierungsreagens zugesetzt.

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400

500

1000

1500

2000

2500

268=MPPE-Monomer

MPEO-Monomer=44

a.i.

m/z

1900 2000 2100 2200

500

1000

1500

2000

2500

2007=MCopo(n=4;m=15) + MK+

4444

∆M=5a.i.

m/z

2100 2200 2300 2400

500

1000

1500

2000

2500

2231=MCopo(n=5;m=14) + MK+

2227=MCopo(n=4;m=20) + MK+

4444

∆M=8

a.i.

m/z

Abbildung 32: MALDI-TOF-Massenspektrum des mit K+ kationisierten PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 (Auflösung m/∆m=400)

Wider Erwarten wird (bei einer Auflösung von m/∆m=400) nur eine Peak-Serie festgestellt,

deren Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Signalen einen Wert von 44 g/mol (die

Masse der PEO-Wiederholungseinheit) besitzt. Bei einer näheren Betrachtung stellt sich aber

heraus, daß die Masse der PPE-Wiederholungseinheit (268 g/mol) ebenfalls als Abstand

zwischen den Peaks ermittelt werden kann. Außerdem fällt auf, daß die Signale bei ca 2200

g/mol viel breiter als die schmalen Peaks bei ca. 2000 g/mol sind. Wird die theoretische

Masse einer Copolymer-Kette betrachtet (s. Gleichung 15), stellt sich heraus, daß eine Kette

mit 20 Ethylenoxid- und 4 Phenylenethinylen-Einheiten sich von einer Kette mit 14

Ethylenoxid- und 5 Phenylenethinylen-Einheiten in der Molmasse nur um 4 g/mol

Hauptteil

70

unterscheidet (s. Abbildung 32). Dies ist dadurch zu erklären, daß die Masse der PPE-

Wiederholungseinheit (M=268 g/mol) fast sechs Mal der Masse der PEO-

Wiederholungseinheit (M=44 g/mol) entspricht.

M M m M M n M M

M 15 m 44 120 n 268 101Copolymer Endgruppe1 PEO Monomer Spacer PPE Monomer Endgruppe2

Copolymer

= + ⋅ + + ⋅ +

= + ⋅ + + ⋅ +− −

z.B.: m=20 und n=4 ⇒ MCopolymer=2188 g/mol

m=14 und n=5 ⇒ MCopolymer=2192 g/mol

Gleichung 15

Die auf die Heterogenität des Copolymers zurückzuführenden Massenverteilungen überlappen

sich also, so daß die Interpretation des konventionellen MALDI-TOF-Massenspektrums

erschwert wird. Die PSD-Analyse könnte daher auch in diesem Fall hilfreich sein, um die

Polymerstruktur aufzuklären. Dafür müssen aber zunächst Informationen über die

Homopolymer-Blöcke und insbesondere über deren Fragmentierungsverhalten gewonnen

werden

III.2.2.2 Charakterisierung der beiden Homopolymer-Blöcke von PPE-b-PEO 21 mit

MALDI-TOF-MS

III.2.2.2.1 Untersuchung des PEO-Blocks 19

III.2.2.2.1.1 Ausarbeitung der Probenvorbereitung für die Aufnahme eines MALDI-TOF-

Massenspektrums

Das zur Synthese des Diblock-Copolymers 21 benutzte PEO-Homopolymer 19 wurde mit

GPC charakterisiert. Anhand einer Kalibrierung mit PEO-Standards wurde ein Mn-Wert von

750 ermittelt.67 Ein so niedriges Molekulargewicht ist für die MALDI-Charakterisierung

prinzipiell ungünstig, da die Matrix-Peaks in diesem Bereich die Polymersignale überlappen

können. In der Tat zeigt Abbildung 33a, daß bei einem üblichen Polymer-zu-Matrix-

Mischungsverhältnis von 1:500 (bei Dithranol als Matrix) die PEO-Verteilung von den

Matrix-Signalen überlappt wird. In der Literatur wurde aber bereits beschrieben, daß in

bestimmten Fällen beim Erhöhen des Analyt-Anteils die Matrix-Ionen unterdrückt werden

können.68,69,70 Dieses Phänomen ist als „Matrix-Suppression-Effekt“ bekannt. Tatsächlich

zeigen Abbildung 33b und Abbildung 33c die Intensitätsminderungen der Matrix-Peaks bei

Modifikation des Polymer-zu-Matrix-Mischungsverhältnisses auf 1:50 bzw. 1:10.

Hauptteil

71

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

2000

4000

6000

a.i.

m/z

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

2000

4000

6000

a.i.

m/z

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

2000

4000

6000

a.i.

m/z

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

a.i.

m/z

VerhältnisPEO:Matrix

(MALDI)

1:500

1:50

1:10

ohne Matrix(LD)

a)

b)

c)

d)

Abbildung 33: MALDI- und LD-TOF-Massenspektren des PEO-Blocks 19 mitunterschiedlichen Polymer-zu-Matrix-Mischungsverhältnissen: a) 1:500; b) 1:50;c) 1:10; d) 1:0 d.h. LD

Hauptteil

72

Bei solchen Mischungsverhältnissen, die für MALDI-Messungen angesichts des geringen

Überschusses an Matrix relativ ungewöhnlich sind, stellt sich die Frage, ob die Probe auch

ohne Matrixunterstützung desorbiert werden kann. Eine Messung des PEO-Analyts 19 ohne

Matrix zeigt das LD-Massenspektrum in Abbildung 33d. In der Tat können die PEO-

Moleküle mit niedrigeren Molekulargewichten intakt desorbiert werden, wobei aber auch

Fragmentierung in Kauf genommen werden muß. Dies beweist demzufolge, daß bei dem

PEO/Dithranol-Mischungsverhältnis 1:10 (s. Abbildung 33c) die Desorption des PEO-Analyts

bereits von der Matrix unterstützt wird. Es ermöglicht die Detektion der PEO-Verteilung ohne

Überlagerung weder durch Matrix- noch durch Fragmentionensignale. Es fällt zusätzlich auf,

daß bei diesen Massenspektren drei Signal-Serien für die PEO-Verteilung detektiert werden.

Dies ist dadurch zu erklären, daß die PEO-Ketten zugleich mit Li+, Na+ und K+ kationisiert

werden. Trotz Zugabe eines Lithium-Salzes bei der Probenvorbereitung konnte eine

Kationisierung mit Verunreinigungsspuren von Natrium sowie Kalium in der Probe nicht

unterdrückt werden. Dies ist allerdings für die darauffolgende PSD-Untersuchung nicht

kritisch, da das zu untersuchende Mutterion mit Hilfe des elektronischen Gates ohnehin

selektiert und damit „Sortenrein“ erhalten wird. Bevor das PSD-Spektrum untersucht wird,

können zunächst einige Informationen über das PEO-Homopolymer 19 aus dem MALDI-

TOF-Massenspektrum (s. Abbildung 33c) gewonnen werden, insbesondere hinsichtlich der

Endgruppen. Die ermittelten absoluten Massen der PEO-Ketten stimmen mit der vom

Lieferanten angegebenen Struktur überein, die eine Methyl- und eine Hydroxy-Endgruppe

beinhaltet. Mit der Kenntnis der Struktur kann anschließend das Fragmentierungsverhalten der

PEO-Kette untersucht und verstanden werden.

PEO-Block 19

m

H3C O CH2 CH2 OH

III.2.2.2.1.2 PSD-Untersuchung des PEO-Blocks 19

Für die PSD-Untersuchung wird das [PEO-Li+]-Addukt mit 15 Wiederholungseinheiten (m/z

698) ausgewählt. Das aufgenommene PSD-Massenspektrum ist in Abbildung 34 dargestellt.

Eine Fülle von Fragmenten, die sich bis in den niedermolekularen Bereich des Spektrums

fortsetzen, können detektiert werden.

Hauptteil

73

250 300 350 400

0

2000

444444

d2 d2

e2

e2

e2

f2

f2

f2

d1

d1 d

1

e1

e1 e1

f1

f1 f1

d2

f1e1d

1 e2f2

a.i.

m/z

100 150 200

0

2000

4444

a1

b2a1

b1;

c2

b1;

c2

c1; a

2

c1; a

2

b2a1 b1;

c2

c1; a

2

a.i.

m/z

0 100 200 300 400 500 600 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

PEO (m=15)

[M + Li]+

a.i.

m/z

a)

b)

c)

15

H3C O CH2 CH2 OH

19

Abbildung 34: a) PSD-Massenspektrum des PEO-15-mers 19 undVergrößerungsausschnitte b) 70<m/z<230 und c) 230<m/z<400

Hauptteil

74

Die Fragmente enthalten alle das Lithium-Kationisierungsagenz und verhalten sich bei der

Fragmentierung wie mit Alkalimetallionen kationisierte PEO-Moleküle, die sowohl mit „Fast

Atom Bombardement“-Tandem-Massenspektrometrie (FAB-MS/MS)71 als auch mit MALDI-

CID-MS/MS58 bereits früher untersucht worden sind. Die Ionenserien a, b und c entsprechen

einer homolytischen Spaltung des PEO-Oligomers in der Nähe der Kettenenden (s. Abbildung

35) während die Ionen der Serie d, e und f durch Umlagerungsreaktionen gebildet werden (s.

Abbildung 35). Anhand dieses komplizierten PSD-Massenspektrums kann zwar die Struktur

des PEO-Blocks bestätigt werden, aber umgekehrt wäre es schwierig, daraus unbekannte

Endgruppen zu bestimmen.

Umlagerung mit C2H4-Eliminierung:

Umlagerung mit 1,4-H2-Eliminierung:

Homolytische Spaltung der PEO-Kette:

X O CH2 CH2 O CH

H

CH2 O

CH

H

YOCH2CH2OCH2

p 13-p

d1: X=CH3 ; d2: X=H

e1: Y=CH3 ; e2: Y=H

X O CH2 CH2 O CH CH2

p

13-p

CH YOCH2CH2OCH2O

a1: X=CH3 ; a2: X=H

b1: X=CH3 ; b2: X=H

c1: X=CH3 ; c2: X=Hp

X O CH2 CH2 O CH2 CH2 O CH2 CH2 O Y

14-p

a b c

X O CH2 CH2 OH

p

X O CH2 CH2

p

13-p

CH2 O CH2 CH2 O Y

CHH

O

CH2CH2

O

13-p

CH YOCH2CH2OCH2O

f1: X=CH3 ; f2: X=H

e1: Y=CH3 ; e2: Y=H

Abbildung 35: Fragmentierungsmechanismen der PEO-Kette

Hauptteil

75

III.2.2.2.2 Untersuchung des PPE-Blocks 20

Abbildung 36 zeigt die Synthese des monofunktionalisierten PPE-Blocks 20, der durch

weitere Kondensation mit hydroxy-terminierten PEO 19 zum PEO-b-PPE-Diblock-

Copolymer 21 umgesetzt werden kann.67 Die Kupplung des 4-Ethinyl-2,5-Dihexyliodo-benzol

AB-Monomers 22 erfolgt durch die Hagiharas Reaktion72 unter Katalyse mit Pd(PPh3)4/CuI.

Nach Zusatz eines Überschusses an Ethyl-4-Iodobenzoat als „End-Capping“-Reagenz und

nach erfolgter Aufarbeitung wird das α-Iodo-ω-(4-ethoxycarbonylphenyl)-poly(para-2,5-

dihexylphenylenethinylen) 23 dargestellt. Unter gleichen Bedingungen wird das erhaltene PPE

23 anschließend mit Phenylacetylen zur Bildung vom PPE 24 gekoppelt. Eine Entfernung der

Carboxy-Schutzgruppe führt abschließend zum α-Phenylethinyl-ω-(4-carboxyphenyl)-

poly(para-2,5-dihexylphenylenethinylen), dem erwünschten PPE-Block 20.

n

Hexyl

Hexyl

O

HO

n

Hexyl

Hexyl

O

EtO

n

I

Hexyl

Hexyl

O

EtOI

Hexyl

Hexyl

H

22 23

24 20

Abbildung 36: Synthese des PPE-Blocks 20

Die Endfunktionalisierung der PPE-Derivate konnte aufgrund des niedrigen

Molekulargewichts mit 1H-NMR sowie mit MALDI-TOF-MS verfolgt werden.67 Es konnte

somit sichergestellt werden, daß die Reaktionsschritte zu den Verbindungen 23, 24 und 20 (s.

Abbildung 36) mit nahezu quantitativen Umsatz stattgefunden haben. Abbildung 37b zeigt

das MALDI-TOF-Massenspektrum des PPE-Blocks 20. Die PPE-Oligomere werden als

Radikalkationen detektiert. Dies ist eine seltene Ionisierungsart in der MALDI-Analytik und

kommt bevorzugt bei Molekülen vor, die wie die PPEs bei der Wellenlänge des N2-Lasers

Hauptteil

76

(337 nm) absorbieren.73,74,75 Aufgrund dieser Absorption und des niedrigen

Molekulargewichts kann die Probe direkt vom Laser angeregt und desorbiert und ionisiert

werden, so daß ein LD-Massenspektrum der intakten Oligomere aufgenommen werden kann

(s. Abbildung 37a).

0 1000 2000 30000

5000

10000

n=8

n=7n=

6

n=5

n=4

n=3

a.i.

m/z

0 1000 2000 30000

5000

10000

15000

20000

25000

30000

a.i.

m/z

n

Hexyl

Hexyl

O

HO

a)

b)

LD

MALDI

20

Abbildung 37: a) LD- und b) MALDI-TOF-Massenspektren des PPE-Blocks 20

Hauptteil

77

Im Gegensatz zur MALDI-Massenspektrometrie neigt die Probe jedoch zur Fragmentierung,

da der LD-Prozeß nicht so schonend abläuft. Die detektierten Massen der intakten Moleküle

stimmen mit den erwarteten Strukturen überein. Ausgehend von diesen definierten Strukturen

kann nun das PPE-Fragmentierungsverhalten untersucht werden.

Abbildung 38 zeigt das PSD-Massenspektrum des ausgewählten PPE-Tetramers 20. Eine

Vielzahl von Fragmenten, verteilt über den ganzen Massenbereich, können detektiert werden,

wodurch die Interpretation des Fragmentionen-Massenspektrums erschwert wird.

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

10000

20000

30000

40000

50000

M.+

1296

a.i.

m/z

4

Hexyl

Hexyl

O

HO

20

Abbildung 38: PSD-Massenspektrum des PPE-Blocks 20 mit 4Wiederholungseinheiten

Der Vergleich dieses Massenspektrums mit den PSD-Massenspektren der anderen PPE-

Derivate 23 und 24, die sich nur in den Endgruppen unterscheiden, kann zur Zuordnung der

Fragment-Signale genutzt werden. Im hochmolekularen Bereich des PSD-Massenspektrums

(> 800 g/mol) sind die Abstände zwischen dem Mutterion und den Fragmenten sowohl für das

Hauptteil

78

PPE 20 (s. Abbildung 39a) als auch für die Vorläufer 24 (s. Abbildung 39b) und 23 (PSD-

Massenspektrum nicht abgebildet) gleich.

900 1000 1100 1200 1300 14000

15000

30000

45000

- C

H2-

CH

2

- C

H2

- Pentyl

- Pentyl

- Pentyl

- Hexyl

M.+

1296

a.i.

m/z

4

Hexyl

Hexyl

O

HO

a)

20

4

Hexyl

Hexyl

O

EtO

b)

900 1000 1100 1200 1300 14000

10000

20000

30000

- Pentyl

- Pentyl

- Pentyl

- Hexyl

M.+

1324

a.i.

m/z

24

Abbildung 39: Hochmolekularer Bereich der PSD-Massenspektren von a) PPE 20und b) dessen Vorläufer PPE 24

Hauptteil

79

Dies bedeutet, daß kein Kettenende, sondern ausschließlich Alkylseitenketten abgespalten

werden. Eine Fragmentierung der Seitenketten wurde ebenfalls im MALDI-TOF-

Massenspektrum von kettensteifen Tetrahydropyren-Oligomeren beobachtet.74

Die Gegenüberstellung der PSD-Massenspektren des PPE-Blocks 20 und dessen Vorläufer 24,

die sich nur in einer der Endgruppen unterscheiden, ermöglicht es auch, Fragmente zu

identifizieren, die durch Spaltung der Hauptkette entstanden sind. Diese Fragmente befinden

sich im niedermolekularen Bereich des Massenspektrums (s. Abbildung 40). Die Peakserien A

und C entsprechen den Fragmenten, die Benzoat- bzw. Ethoxybenzoat-Endgruppen enthalten.

Signale der Serie B entsprechen den Fragmenten, die die Phenyl-Endgruppe tragen, und sind

daher um 44 bzw. 72 Masseneinheiten gegenüber den Signalen der Serie A bzw. C versetzt.

Die absoluten Massen dieser Fragmente stimmen allerdings nicht mit einer einfachen

Spaltung der Hauptkette überein, sondern deuten auf eine zusätzliche Abspaltung hin, die mit

einer Umlagerung der Seitenkette einhergeht.

Aus dem PPE-Fragment-Massenspektrum können prinzipiell die Masse der einzelnen

Endgruppen ermittelt werden, jedoch erschwert die Fülle der Signale eine eindeutige

Endgruppenbestimmung, wie dies auch für das PEO (s. vorheriger Abschnitt) gezeigt werden

konnte. Anhand der gewonnenen Kenntnisse über das Fragmentierungsverhalten der PEO-

und PPE-Blöcke (19 bzw. 20) kann nun die Fragmentierung des PEO-b-PPE-Diblock-

Copolymers 21 untersucht werden.

Hauptteil

80

250 300 350 400

0

5000

10000

15000

- 44 =- COOH + H

B

BB

BB

A

A

A

A

A

a.i.

m/z

4

Hexyl

Hexyl

O

HO

a)

20

4

Hexyl

Hexyl

O

EtO

250 300 350 400

0

2500

5000

7500

- 72 =- COOEt + H

C

CC

C

C

B

BB

B

B

a.i.

m/z

b)

24

Abbildung 40: Niedermolekularer Bereich der PSD-Massenspektren von a) PPE20 und b) dessen Vorläufer PPE 24

Hauptteil

81

III.2.2.3 Untersuchung des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21

Im Gegensatz zum PPE-Homopolymer 20 können die PPE-b-PEO-Oligomere 21 mit LD nicht

als intakte Moleküle desorbiert werden. Die Matrixunterstützung ist dazu unbedingt

erforderlich. In diesem Falle findet Dithranol als Matrix Verwendung. Die Ionisierung erfolgt

durch Anlagerung eines Alkalimetallkations. Die Auswahl des Kations spielt für die

Aufnahme eines PSD-Massenspektrums wieder eine wesentliche Rolle. Fragment-

Massenspektren der Lithiumaddukte können auch bei sehr hoher Laserleistung aufgenommen

werden, während bei der Messung der Natriumaddukte die Laserleistung sehr sorgfältig

eingestellt werden muß. Eine zu hohe Laserleistung löst die Dissoziation des Natriumkations

vom Polymer aus und liefert somit keine Informationen über Polymerfragmente. Die

Laserleistung kann jedoch gerade noch so eingestellt werden, daß die Fragmentierung des

Polymers ohne Dissoziation des Kations erfolgt. Dagegen reicht die für die Fragmentierung

nötige Laserleistung aus, um das entsprechende Kaliumaddukt zu dissozieren. Wie im Falle

des Polycarbonats kann dieses Verhalten durch Betrachtung der Struktur des kationisierten

Oligomers in der Gasphase erklärt werden. Man stellt sich das Kation derart im

Polymerknäuel eingebettet vor, daß möglichst viele Heteroatome mit dem Kation

wechselwirken. Aufgrund der chemischen Zusammensetzung sowie der Flexibilität des PPE-

b-PEO Copolymers 21 befindet sich das Alkalimetallkation höchstwahrscheinlich eher in dem

PEO-Knäuel als in der Umgebung des PPE-Blocks. Aufgrund seiner relativ hohen

Ladungsdichte besitzt Li+ die stärkste Wechselwirkung mit dem PEO-Oligomer. Das

Adduktion dissoziert bei der in PSD-Experimenten angewendeten Laserleistung nicht. Mit

steigender Masse des Kations sinkt aber die Bindungsenergie zwischen Kation und Oligomer,

so daß die Dissoziation des Kations vom Oligomer mit der Fragmentierung des Oligomers

konkurriert. Für das Natrium-Addukt kann noch ein Optimum für die Laserleistung gefunden

werden, um die Dissoziation zu vermeiden, während das Kaliumaddukt vollständig dissoziert.

Infolgedessen wurden nur die PSD-Massenspektren des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21

ausgehend von Li- oder Na-Addukten aufgenommen.

Hauptteil

82

Abbildung 41 zeigt das PSD-Massenspektrum des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 mit

15 PEO- und 4 PPE- Wiederholungseinheiten. Das Oligomer ist mit Lithium kationisiert und

wird bei m/z 1978 detektiert. Alle Fragmente sind Lithium-kationisiert. Das erhaltene

Fragmentmassenspektrum ist im Vergleich mit den Massenspektren der Homopolymerblöcke

erstaunlich einfach zu interpretieren.

0 500 1000 1500 2000

0

2000

4000

6000

8000

PEO-Fragmente

Abspaltungder Alkyl-

Seitenketten

[M-Li]+

1978C

H3-

[-O

-CH

2-C

H2-

] 15

a.i.

m/z

15

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

4

21

Abbildung 41: PSD-Massenspektrum des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 mitn=4; m=15

Im hochmolekularen Bereich treten Fragmente auf, die durch Abspaltung der Alkyl-

Seitenketten entstanden sind. Ihre relative Signalintensität ist nicht so hoch wie bei dem PPE-

Homopolymer 20. Der intensivste Fragmentpeak entspricht der Masse des intakten PEO-

Blocks. Die Spaltung findet an der Bindung in β-Position der Carbonyl-Funktion statt. Im

Hauptteil

83

niedermolekularen Bereich findet sich das Fragmentierungsmuster des PEO-Blocks wieder.

Um diese Interpretation zu überprüfen, wird als Vergleich die Fragmentierung der

Copolymere mit gleicher PPE-Blocklänge, aber anderer PEO-Blocklänge betrachtet.

Abbildung 42 zeigt neben dem Fragment-Massenspektrum des eben beschriebenen Oligomers

(n=4, m=15) die PSD-Massenspektren der Oligomeren der Zusammensetzung: n=4; m=12

und n=4; m=17. Hierbei bestätigt es sich, daß die wahrscheinlichste Spaltung an der Grenze

zwischen dem PEO- und dem PPE-Block stattfindet. Diese Beobachtung ist im Einklang mit

der vorgeschlagenen Fragmentierungstheorie, die die Freiheitsgrade der Polymerkette als

weiteren Parameter zur Aufklärung des Fragmentierungsverhaltens betrachtet. Der steife PPE-

Block kann die Überschußenergie der Copolymerkette durch Bewegung kaum verteilen,

während die Bewegung des flexibeln PEO-Blocks zunehmen kann. Eine hohe Amplitude der

PEO-Bewegung führt schließlich zur Spaltung der Hauptkette an der Ester-Funktion zwischen

den zwei Blöcken. Anhand des PSD-Massenspektrums kann also die PEO-Blocklänge und

demzufolge auch die PPE-Blocklänge eindeutig ermittelt werden. Neben den absoluten

Massen des Oligomers, die mit dem konventionellen MALDI-TOF Massenspektrum bestimmt

wurden, kann außerdem aus dem PSD-Massenspektrum die Diblock-Struktur des Oligomers

nachgewiesen und somit eine statistische Anordnung der Monomeren ausgeschlossen werden.

Hauptteil

84

0 500 1000 1500 2000

0

2000

4000

6000

8000

[M-Li]+

1978

CH3-[-O-CH

2-CH

2-]

15

a.i.

m/z

0 500 1000 1500 2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

[M-Li]+

1846

CH3-[-O-CH2-CH2-]12

a.i.

m/z

0 500 1000 1500 2000

0

2000

4000

6000

[M-Li]+

2066

CH3-[-O-CH2-CH2-]17 a.i.

m/z

15

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

4

12

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

4

17

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

4

a)

b)

c)

21

21

21

Abbildung 42: PSD-Massenspektren der PPE-b-PEO-Diblock-Copolymere 21 mitfolgender Zusammensetzung: a) n=4; m=12; b) n=4; m=15; c) n=4; m=17

Hauptteil

85

Diese Informationen sind besonders in dem Massenbereich nützlich, wo Oligomere mit

unterschiedlichen Zusammensetzungen, aber fast gleichen Molekulargewicht detektiert

werden (s. Abbildung 32, S. 69 bei ca. 2200 g/mol). Abbildung 43 zeigt das PSD-

Massenspektrum, das durch gleichzeitige Selektierung der Signale bei m/z 2214 und 2218

erhalten wurde. Die Mutterionen sind mit Natrium kationisiert und könnten aufgrund ihrer

absoluten Massen Oligomeren der Zusammensetzung n=4; m=20 bzw. n=5; m=14

entsprechen. Diese Vermutung kann mit dem PSD-Massenspektrum bestätigt werden. Die

Fragmentsignale der PEO-Blöcke mit 14 und 20 Wiederholungseinheiten werden eindeutig

detektiert.

0 500 1000 1500 2000

0

2000

4000

6000

8000

[M-Na]+

2214/2218

CH3-[-O-CH

2-CH

2-]

14

CH3-[-O-CH

2-CH

2-]

20

a.i.

m/z

m

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

n

21

Abbildung 43: PSD-Massenspektrum von PPE-b-PEO-Oligomeren 21 mitunterschiedlichen Zusammensetzungen (n=4; m=20 und n=5; m=14),Mutterionen detektiert bei fast gleicher Masse (2214 bzw. 2218)

Hauptteil

86

Auch im herkömmlichen MALDI-TOF-Massenspektrum kann eine solche Überlappung von

zwei Signalen, die von Oligomeren mit unterschiedlichen Zusammensetzungen ausgelöst

wurden, bei einer erhöhten Auflösung des Massenspektrometers nachgewiesen werden. In

Abbildung 44 sind auf dem MALDI-TOF-Massenspektrum die Signale isotopenaufgelöst. Die

Auflösung von m/∆m=4000 ermöglicht die durch unterschiedliche Zusammensetzung

erhaltenen Verteilungen darzustellen. Eine auf das Massenspektrum gelegte Kurve hebt die

Massen der Copolymere mit gleicher PPE-Blocklänge (n) und varierender PEO-Blocklänge

(m) hervor.

1500 2000 2500 30000

1000

2000

3000

4000

5000

n=7

n=6

n=5

n=4

n=3

a.i.

m/z

2100 2150 2200 2250 2300 2350 24000

1000

2000

3000

4000

5000

n=5

; m=

17

n=5

; m=

16

n=5

; m=

15

n=5

; m=

14

n=5

; m=

13

n=4

; m=

23

n=4

; m=

22

n=4

; m=

21

n=4

; m=

20

n=4

; m=

19

n=5

; m=

12n=

4 ; m

=18

a.i.

m/z

Abbildung 44: MALDI-TOF-Massenspektrum des mit K+ kationisierten PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 mit hoher Auflösung (m/∆m=4000)

Im Gegensatz zu der untersuchten Probe kann die Copolymer-Zusammensetzung jedoch nicht

immer direkt aus dem konventionellen MALDI-TOF-Massenspektrum bestimmt werden. Im

Falle eines PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers mit einem höheren Molekulargewicht würde die

Hauptteil

87

Auflösung, die mit einer DE-Quelle in Verbindung mit einem TOF-Analysator schon sehr

hoch ist, nicht ausreichen, um die Überlappung der Signale sichtbar zu machen. Ein anderer

möglicher Fall wäre ein Diblock-Copolymer, das aus Comonomeren zusammengesetzt ist,

deren Molekulargewichte entweder gleich sind oder ganzzahlige Vielfach voneinander haben,

so daß selbst eine hohe Auflösung eine Differenzierung zwischen verschiedenen

Zusammensetzungen nicht ermöglichen würde. Bei der Analyse eines Copolymers mit einer

zusätzlichen Heterogenität der Endgruppe würde die Interpretation des MALDI-TOF

Massenspektrums auch erschwert oder gar unmöglich sein. In all diesen Fällen ist dann die

PSD-Analyse eine unumgängliche Methode, um die Copolymerzusammensetzung zu

bestimmen.

Bei der Untersuchung dieses PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers stellt sich zusätzlich die Frage

nach der Quantifizierbarkeit der Massenverteilung. Mit anderen Worten:

-Kann die Blocklängenverteilung aus den PSD- oder MALDI-TOF-Massenspektren bestimmt

werden?

-Stimmen die relativen Intensitäten der Signale im Massenspektrum mit den tatsächlichen

Verhältnissen in der Probe überein?

Sollte das Intensitätsverhältnis von Fragmentpeaks das Intensitätsverhältnis der

entsprechenden Mutterionen widerspiegeln, könnten weitere wichtige Informationen über die

Copolymer-Zusammensetzung gewonnen werden. Stimmt also in Abbildung 43 die relative

Peakintensität der beiden PEO-Fragmente (mit 14 und 20 Wiederholungseinheiten), die ein

Verhältnis von ca. 1:2 zeigt, mit dem Intensitätsverhältnis der überlappenden

Mutterionenpeaks überein? Wenn dies der Fall ist, könnten mittels der PSD-Massenspektren

Rückschlüsse auf die Mutterionenintensitäten gezogen werden. Somit könnten die

Hüllkurven, die in Abbildung 44 gezeichnet sind, auch bei einer vollständigen Überlappung

der Copolymer-Signale ermittelt werden. Es gibt jedoch mehrere Gründe, die dagegen

sprechen. Zunächst ist die Quantifizierbarkeit im PSD-Massenspektrum durch das Prinzip der

FAST-Methode nicht gewährleistet. Die PEO-Fragmente mit 14 und 20

Wiederholungseinheiten werden im PSD-Massenspektrum (s. Abbildung 43) aufgrund ihrer

unterschiedlichen Massen in verschiedenen Segmenten aufgenommen. Dies bedeutet, daß sie

nicht gleichzeitig gemessen werden, sondern bei verschiedenen Messungen, die sich

hauptsächlich sowohl in der Reflektorspannung als auch in der durch den Laser beschossenen

Stellen unterscheiden. Diese unterschiedlichen Bedingungen verbieten also den

Hauptteil

88

Intensitätsvergleich zwischen den Fragmentsignalen. Jenseits dieser instrumentellen

Einschränkung bleibt die Frage, ob zwei Mutterionen mit der gleichen Wahrscheinlichkeit

fragmentieren. Sollte die Bildungswahrscheinlichkeit der PEO-Block-Fragmente bei

unterschiedlichen Blocklängen gleich bleiben, würde das Intensitätsverhältnis der

Fragmentpeaks mit dem der Mutterionpeaks übereinstimmen. Dennoch muß noch

sichergestellt werden, ob die im normalen MALDI-TOF-Massenspektrum detektierte

Massenverteilung des Copolymers tatsächlich der relativen Zusammensetzung der Oligomere

in der Probe entspricht. Einige Argumente könnten dagegen sprechen. Zum einen ist es

naheliegend, daß Oligomere, die sich in der chemischen Zusammensetzung drastisch

unterscheiden (z.B. n=3; m=20 und n=6; m=12), verschiedene Desorptions- sowie

Ionisationswahrscheinlichkeiten haben könnten, so daß die im MALDI-Massenspektrum

abgebildeten Intensitätsverhältnisse nicht wirklichkeitstreu sind. Zum anderen könnten

zusätzlich Unterschiede bei der Detektion von Oligomeren mit unterschiedlichen

Molekulargewichten auftreten. Betrachtet man schließlich allein die Tatsache, daß das

Molekulargewicht eines Homopolymers schon bei einer Polydispersität von 1,1 um 20% vom

wirklichen Wert abweichen kann,20 und wird weiterhin berücksichtigt, daß ein Copolymer

zusätzlich zur Heterogenität im Polymerisationsgrad noch eine Heterogenität in der

chemischen Zusammensetzung aufweist, so ist die korrekte Quantifizierbarkeit des MALDI-

TOF-Massenspektrums eines Copolymers nur unter bestimmten Rahmenbedingungen

möglich.

Trotz der Ungewißheit hinsichtlich der Quantifizierung von Copolymerverteilungen mit

MALDI-TOF-Massenspektrometrie beweist diese Methode in Kombination mit der PSD-

Analyse am Beispiel der PPE-b-PEO-Probe ihr Potential. Sowohl die Diblock-Stuktur als

auch die Blocklängen des Copolymers können eindeutig aus den Fragment-Massenspektren

ermittelt werden. Somit stellt die Fragmentionenanalytik eine weitere Steigerung der

Leistungsfähigkeit der MALDI-Methode dar. Gegenwärtig kann keine andere konventionnelle

Charakterisierungsmethode der Polymeranalytik allein derart detaillierte Informationen

liefern.

In den ersten zwei Kapiteln des Hauptteils wurde die MALDI-TOF-Massenspektrometrie

soweit weiterentwickelt, daß auch in Abwesenheit konventioneller Charakterisierungs-

methoden der Polymeranalytik äußerst detaillierte Informationen mit großer Zuverlässigkeit

über die Struktur herkömmlicher synthetischer Polymere gewonnen werden können. In den

Hauptteil

89

folgenden Teilen der Arbeit soll nun die MALDI-TOF-Massenspektrometrie für die

Charakterisierung neuer, schwer nachzuweisender Verbindungen eingesetzt werden, die nicht

zur Famillie der herkömmlichen synthetischen Polymere gehören, jedoch bereits als

Makromoleküle bezeichnet werden dürfen. Mit geladenen metallo-supramolekularen

Verbindungen werden z.B. neue Makromoleküle hergestellt, die aufgrund ihrer schwachen

intramolekularen Bindungskräfte sowie ihrer Ladung nur schwer nachzuweisen sind. Es soll

nun untersucht werden, inwieweit die MALDI-TOF-Massenspektrometrie für die

Charakterisierung solcher Verbindungen eingesetzt werden kann und welcher

Gesetzmäßigkeit ihrer MALDI-Analytik unterliegt.

Hauptteil

90

III.3. Charakterisierung metallo-supramolekularer Verbindungen mit

MALDI-TOF-MS

III.3.1 Problematik der Charakterisierung Metallo-supramolekularer

Verbindungen

Im Gegensatz zur „klassischen“ molekularen Chemie, in der die kovalente Bindung im

Mittelpunkt steht, befaßt sich die supramolekulare Chemie mit der Kontrolle nicht-kovalenter,

zwischenmolekularer Kräfte. Die „Übermoleküle“ bestehen aus konventionellen Molekülen

(Bausteine), die durch zwischenmolekulare Bindungen in einer räumlich definierten Weise

zusammengehalten werden.76 Die Wechselwirkung organischer und anorganischer

Komponenten, die sich zu vorprogrammierten Überstrukturen selbstorganisieren, ist

gegenwärtig ein Forschungsschwerpunkt der supramolekularen Chemie.77 Anorganische

Überstrukturen bilden sich spontan durch die Koordination maßgeschneiderter Liganden an

ausgewählten Metallzentren. Dieses Forschungsgebiet wird als „metallo-supramolekulare

Chemie“ bezeichnet. Die bei solchen Überstrukturen implizierten Bindungsenergien liegen

zwischen denen von Kovalentbindungen und schwachen intermolekularen Wechselwirkungen

wie elektrostatischen Kräften, Wasserstoff-Brücken-Bindungen oder Van der Waals-

Wechselwirkungen. Durch die Verschiedenartigkeit sowohl der multidentalen Liganden als

auch der Metallzentren stellen die potentiellen metallo-supramolekularen Strukturen eine

umfangreiche Substanzklasse dar. Die Bestimmung der Struktur und der Molekülmasse

solcher durch Selbstorganisation entstandener Aggregate gehört aber zu den schwierigsten

Aufgaben auf diesem Gebiet.

Die verhältnismäßig große Labilität der supramolekularen Verbindungen, die durch die

niedrige Energie der nicht-kovalenten Wechselwirkungen bedingt ist, erschweren deren

Charakterisierung und beschränken die Zahl der einsetzbaren Analysenmethoden. Die

konventionellen Molmassenbestimmungsmethoden für kovalent gebundene Makromoleküle

wie Osmometrie oder GPC sind bei geladenen metallo-supramolekularen Verbindungen nicht

anwendbar. Die Osmometrie beruht auf den kolligativen Eigenschaften, so daß der

Dissoziationsgrad der Makromoleküle bei der Auswertung bekannt sein muß. Da der

Dissoziationsgrad von geladenen Strukturen meist unbekannt ist, kann ihre Masse aus

osmometrischen Experimenten nicht ermittelt werden. Bei der GPC sind Wechselwirkungen

Hauptteil

91

mit dem Säulenmaterial nicht auszuschließen, und es liegen keine geeigneten Standards für

die Kalibrierung vor. Die geladenen Metallosupramoleküle können allerdings mit der

analytischen Ultrazentrifugation nachgewiesen werden.78 Die analytische Ultrazentrifugation

ist eine der ältesten Methoden der Polymercharakterisierung, wird aber in der

Polymerwissenschaft nur noch selten benutzt.1 Sie wird nur für spezielle Fragestellungen, bei

denen übliche Charakterisierungsmethoden scheitern, noch angewendet. Die Ursachen dafür

sind besonders die langen Meß- und Auswertezeiten sowie der doch erhebliche experimentelle

Aufwand. Die Struktur der Metallosupramoleküle im Festkörper kann mit der

Röntgenstrukturanalyse charakterisiert werden. Dazu ist es allerdings erforderlich,

ausreichend große Einkristalle der zu untersuchenden Substanz zu erzeugen. Geeignete

Einkristalle sind aber wegen der meist großen Hohlräume in diesen Systemen oft nur

schwierig zu erhalten. Werden Einkristalle dennoch erhalten, verlieren sie außerdem in der

Regel schnell das eingeschlossene Lösungsmittel und zerfallen zu amorphem Material, wenn

sie aus der Mutterlauge herausgenommen werden.79 Aus diesem Grunde wird eine alternative

Methode gesucht, um die Existenz des Komplexes schnell nachzuweisen, bevor aufwendigere

Methoden weiter eingesetzt werden. Prinzipiell könnte sich die MALDI-TOF-MS eignen, die

schon bei der Charakterisierung anderer nicht-kovalent gebundener Verbindungen erfolgreich

eingesetzt wurde.80,81,82,73 Dafür muß allerdings ein milder Desorption-Prozeß gewährleistet

sein, damit die metallo-supramolekulare Struktur aus der Festphase intakt in die Gasphase

überführt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Charakterisierungsmöglichkeit metallo-

supramolekularer Komplexe mit der MALDI-TOF Massenspektrometrie anhand zweier

Verbindungsklassen untersucht: Zum einen wurden gitterartige Komplexe und zum anderen

makrozyklische Quadrate untersucht.

III.3.2 Charakterisierung gitterartiger metallo-supramolekularer

Verbindungen mit MALDI-TOF-MS

Gitterartige metallo-supramolekulare Komplexe, die aus kondensierten Bipyridin- und

Pyrimidineinheiten bestehen, sind erst seit kurzem bekannt (s. Abbildung 45).83 Jedes

Metallzentrum steht an der Kreuzung zweier Liganden und ist mit sechs Stickstoff-Donor-

Atomen in einer beinahe oktaedrischen Geometrie umgeben. Die positiven Ladungen sind mit

acht Gegenionen neutralisiert. Die Bildung der gitterartigen [2x2]-Komplexe erfolgt spontan

bei Zugabe der Metall(II)-Ionen zu einer methanolischen Lösung des Liganden. Erkennbar ist

Hauptteil

92

die Komplexbildung an einer schlagartigen Braunfärbung der Lösung. Die Metalle werden in

Form ihrer Acetat-Salze eingesetzt. Die Acetat-Gegenionen ermöglichen die Lösung des

Komplexes in Methanol. Durch Zugabe eines Überschusses von

Ammoniumhexafluorophosphat werden die Acetat- gegen PF6- -Gegenionen ausgetauscht, der

Komplex ist dann nicht mehr in Methanol löslich und fällt als brauner Feststoff aus.

a)

29

b)

NN

N NN

NR1 R1R2

25 R1=CH3, R2=H

26 R1=CH2OH, R2=H

27 R1=CH2OTBDMS, R2=H

28 R1=H, R2=CH3

Abbildung 45: (a) Kristallstruktur des Co-[2x2]-Gitters 29 (R1=H, R2=CH3). (b)Bis(bipyridyl)-pyrimidinliganden 25-28

Die Metallionen koordinieren nicht nur die Liganden und ordnen diese räumlich an, sondern

führen darüber hinaus elektrochemische,84 magnetische85 und photochemische Eigenschaften

ein, so daß die letzendlich entstehende Struktur eine bestimmte Funktionalität erhält, die zur

Entwicklung anorganischer molekularer Bausteine genutzt werden kann. Insbesondere planen

die kooperierenden Arbeitsgruppen von Prof. J.-M. Lehn (Université Louis Pasteur,

Strasbourg) und Dr. U. Schubert (Technische Universität München) aus solchen [2x2]-Gittern

das Design von anorganischen, zweidimensionalen, supramolekularen [n x m]-Netzwerken.

Ein möglicher Lösungsansatz zum Aufbau solcher Überstrukturen besteht in 2-D-Assemblies

(durch Wasserstoffbrücken) oder in kovalenter Polymerisation einzelner gitterartiger

Metallkomplexe (s. Abbildung 46). Kürzlich ist es gelungen, den mit einer

Hauptteil

93

Hydroxymethylgruppe in der 5-Position der terminalen Pyridine funktionalisierten Liganden

26 (s. Abbildung 45) zu synthetisieren.86,87 Damit wurde eine Gitterstruktur aufgebaut, die

insgesamt acht Hydroxy-Gruppen trägt. Dadurch sollte eine Erweiterung dieser metallo-

supramolekularen Systeme zu ausgedehnten 2D-Assemblies bzw. Polymeren möglich sein.

"Polymerisation"

Abbildung 46 „Polymerisation“ (kovalent oder nicht kovalent) der fertigensupramolekularen Bausteine zu geordneten Überstrukturen

Um die Optimierung der Synthese der [2x2]-Gitter zu unterstützen, wurde für eine schnelle

Charakterisierung die MALDI-TOF-Massenspektrometrie eingesetzt. Die Analyten wurden

von Christian Weidl78 (Arbeitskreis von Dr. U. Schubert, Technische Universität München)

zur Verfügung gestellt. Die analytische Arbeit bestand in der Untersuchung dieser durch

Selbstorganisation entstandenen Komplexe mit der MALDI-TOF-Massenspektrometrie. Es

galt insbesondere, ausreichend schonende MALDI-Bedingungen zu finden, um die labile

Überstruktur der [2x2]-Gitter intakt aus der Festphase in die Gasphase zu überführen.

Hauptteil

94

Das [2x2]-Gitter ist, wie bereits erwähnt, aus vier zweifach geladenen Metallionen (M2+) und

vier bistridentalen Liganden zusammengesetzt. Die resultierende positive Ladung des

Komplexes wird durch acht Gegenionen neutralisiert. Von einer MALDI-TOF-

massenspektrometrischen Analyse könnte erwartet werden, daß positiv geladene

Quasimolekülionen nachgewiesen werden können, die aus dem Verlust von bis zu acht

Gegenionen resultieren. Die entsprechenden Signale sollten demnach Ladungszahlen von eins

bis maximal acht entsprechen. Die aus Co2+-Metallzentren und funktionalisierten

bis(bipyridyl)-Pyrimidin Liganden 25, 26 bzw. 27 sowie aus Zn2+ als Metallzentren und

Ligand 26 enstandenen [2x2]-Gitter wurden mit MALDI-TOF-MS charakterisiert. Abbildung

47a zeigt das erhaltene Massenspektrum für Positivionen eines mit dem Liganden 25

aufgebauten Co-[2x2]-Gitters 30, wobei für die Messung Dithranol als Matrix verwendet

wurde. Nur einfach geladene Ionen wurden detektiert. Ein Ausschnitt dieses Massenspektrums

um 2000 g/mol (Abbildung 47b) zeigt eine Reihe von fünf Signalen, deren Abstände von 145

g/mol der Masse eines Gegenions (PF6-) entsprechen. Die Signale erscheinen

unerwarteterweise bei der Masse der einfach geladenen Ionen, die aus dem Verlust von vier

bis acht PF6-Gegenionen resultieren. Diese Muster wurden bei allen gemessenen [2x2]-Gittern

wiedergefunden. Die aus den MALDI-TOF-Massenspektren zu erwartenden und tatsächlich

aus dem Massenspektrum erhaltenen Masse-zu-Ladungsverhältnisse der aus dem

[Co4(25)4](PF6)8-Komplex 30 entstandenen Ionen sind in Tabelle 4 gegenübergestellt.

30

=

= Co2+

N

N

N N

N

NH3C CH3

H

25

8+

(PF6 -)8

Hauptteil

95

500 1000 1500 2000 2500 30000

2000

4000

6000

a.u.

m/z

1800 2000 2200 2400 2600

250

500

M+- 4 PF6

M+- 5 PF6

M+- 6 PF6

M+- 7 PF6

M+- 8 PF6

a.u.

m/z

a)

b)

30

8+

(PF6 -)8

Abbildung 47: (a) MALDI-TOF-Massenspektrum des mit Dithranol gemessenen[Co4(25)4](PF6)8-Komplexes 30 . (b) Ausschnitt 1750<m/z<2750: Verlust von 4bis 8 PF6-Gegenionen

Hauptteil

96

Tabelle 4:Berechnete und aus dem Massenspektrum (s. Abbildung 47) gemesseneMasse-zu-Ladungsverhältnisse der [Co4(25)4](PF6)x-Komplexe bei dem Verlustvon PF6-Gegenionen aus dem [Co4(L1)4](PF6)8-Komplex 30

berechnet gemesssen

x m z m/z m/z

7 2916,42 1 2916,42 -

6 2771,46 2 1385,73 -

5 2626,49 3 875,50 -

4 2481,53 4 620,38 2480,9

3 2336,57 5 467,31 2336,1

2 2191,60 6 365,27 2191,2

1 2046,64 7 292,38 2046,3

0 1901,67 8 237,71 1901,6

Die Interpretation des Ionisierungsmechanismuses der [2x2]-Gitter zeigt, daß der Verlust von

y (mit y=4 bis 8) Gegenionen offenbar mit dem Gewinn von y-1 Elektronen einhergehen muß,

um daraus ein einfach geladenes Kation zu erzeugen. Dieses Resultat ist bemerkenswert. Es

wurde bereits festgestellt, daß Analytmoleküle während des MALDI-Prozesses reduziert

werden können.88,89 Jedoch bleibt dieser Reduktionsvorgang in der Ionenquelle des

Massenspektrometers noch ungeklärt.

Außerdem ist bei dem in Abbildung 47 gezeigten Massenspektrum bemerkenswert, daß nur

einfach geladene Gitterionen auftreten, die aus dem Verlust von mindestens vier Gegenionen

resultieren. Die Signale der übrigen quasimolekularen Ionen der Reihe (Komplexe mit nur ein

bis drei verlorenen Gegenionen) scheinen in der Ionenquelle bei der Desorption/Ionisation

nicht erzeugt zu werden. Dies kann durch den Ionisierungsmechanismus dieses Gitters erklärt

werden. Bei der matrixunterstützten Desorption werden die Gittermoleküle schonend

desorbiert, dennoch wird dabei eine leichte Überschußenergie an den Analyten abgegeben.

Diese Überschußenergie wird abgebaut, indem einige Gegenionen vom Gitter dissoziert

werden. Die zur Desorption/Ionisation der Matrix (hier Dithranol) benötigte Laserleistung ist

wahrscheinlich bereits zu hoch, so daß in der Ionenquelle mindestens vier Gegenionen vom

Gitter getrennt werden. Um mildere Bedingungen zu erzielen und dadurch die Dissoziation

der Gegenionen während des Desorptionsschritt möglicherweise einzuschränken, sollte der

Hauptteil

97

MALDI-Prozeß mit weniger Laserleistung durchgeführt werden. Das mit Dithranol

aufgenommene Massenspektrum (s. Abbildung 47) wurde aber bereits an der

Desorptionsschwelle der Matrix gemessen, so daß keine weitere Verminderung der

Laserleistung mehr möglich ist. Für einen milderen MALDI-Prozeß wäre ein Matrix mit

niedrigerer Desorptionsschwelle als Dithranol notwendig. Es wurde daher eine Meßreihe

durchgeführt, in der die Desorptions- und Ionisationsschwellen von verschiedenen Matrices

bestimmt wurden. Die gemessenen Matrices wurden sodann gemäß ihrer Desorptionsschwelle

klassifiziert (s. Anhang 2). Die all-trans-Retinoesäure ist die Matrix, die die niedrigste

Laserleistung für ihre Desorption benötigt. Folglich wurde sie für die MALDI-TOF-

Messsungen der [2x2]-Gitter getestet. Das mit all-trans-Retinoesäure aufgenommene

Massenspektrum für Positivionen des [Co4(25)4](PF6)8-Komplexes 30 ist in Abbildung 48

gezeigt.

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000

0

200

400

M+- 3 PF6

M+- 4 PF6M+- 5 PF

6

M+- 6 PF6a.i.

m/z

30

8+

(PF6 -)8

Abbildung 48: MALDI-TOF-Massenspektrum des mit all-trans-Retinoesäuregemessenen [Co4(25)4](PF6)8-Komplexes 30. Verlust von nur 3 bis 6 PF6-Gegenionen

Hauptteil

98

Dieses Massenspektrum ist analog zu dem mit Dithranol aufgenommenen Massenspektrum,

jedoch erscheint hier im Gegensatz dazu auch das Signal des einfach geladenen Ions, das aus

dem Verlust von nur drei Gegenionen resultiert. Dagegen sind die Signale der einfach

geladenen Ionen, die aus dem Verlust von sieben bis acht Gegenionen resultieren,

verschwunden. Aufgrund des Vergleichs zwischen den mit Dithranol (s. Abbildung 47) und

mit all-trans Retinoesäure (s. Abbildung 48) aufgenommenen Massenspektren scheint also die

zur Desorption nötige Laserleistung beim Verlust der Gegenionen eine entscheidende Rolle zu

spielen. Noch schonendere Bedingungen könnten wahrscheinlich den Verlust von Gegenionen

noch weiter einschränken. Dies würde jedoch eine Matrix mit einer noch niedrigeren

Desorptionsschwelle als die der all-trans Retinoesäure erfordern. Bisher ist noch kein Matrix-

Kandidat, der diese Bedingungen erfüllt, gefunden worden.

III.3.3 Charakterisierung makrozyklischer kationischer vierkerniger

Übergangsmetallkomplexe mit MALDI-TOF-MS

M L N M'

L

N

M' N

N

L

L M

4 OTf -Vorprogrammierte

Selbstorganisation

M L N

L

N N

L

MLN

TfO M'

OTf

OTf

M' OTf

M L N

L

N

M+ M

Chelatisierung Koordination desfunktionalisierten Liganden

+ 2 LN

Molekulares Quadrat

Schema 4: Design eines molekularen Quadrats

Hauptteil

99

Bei der zweiten untersuchten Verbindungsklasse handelt es sich um sogenannte „molekulare

Quadrate“. Diese vierkernigen Übergangsmetallkomplexe gehören zu den jüngsten

Mitgliedern der Familie supramolekularer Makrozyklen und werden in der Arbeitsgruppe

Prof. P.J. Stang (University of Utah, Salt Lake City) hergestellt. Der entwickelte Syntheseweg

zum Design dieser vierkernigen kationischen Chelate wird in Schema 4 dargestellt.90 Die

Makrozyklen entstehen durch Selbstorganisation in Lösung beim einfachen Mischen eines

geeigneten quadratisch-planaren Metall-Vorläufers mit einem passenden bidentalen Liganden.

Die erhaltenen ~90°-Bindungswinkel sind auf die quadratisch-planare Geometrie der

Metallzentren zurückzuführen, die die Ecken des Quadrats bilden. Die potentiellen „host-

guest“- und Molekularerkennungseigenschaften dieser Makrozyklen können sowohl durch

Änderung der Ladungsdichte als auch durch Veränderung der Kavitätsgröße und -form

gesteuert werden. Dafür werden in der Praxis die Metalle und/oder die Oxidationsstufen bzw.

die Liganden geändert.

Schema 5 zeigt die Synthese des untersuchten geladenen Pt-Pt(II) molekularen Quadrats 35.90

PPt

P

PhPh

Cl

Cl

PhPh

+ 2 Li N

- 2 LiCl Pt

PPh2

P N

N

Ph2

31

33

32

33

Pt

PPh2

P N

N

Ph22 Pt

P

O

POPh2

Ph2

SO2

CF3

CF3SO2O+ 2

34

CH2Cl2 , RT

4h

P

Pt

PPh2

P N

N

Ph2

Pt

Pt Pt

PPh2

Ph2

P

P

Ph2

Ph2

P

PPh2

Ph2

2+

4 CF3SO2O -

2+

35

Schema 5: Synthese des molekularen Quadrates 35: cyclobis[[cis-Pt(dppp)(4-ethynylpyridin)2][cis-Pt2+(dppp)2

-OSO2CF3]]

Hauptteil

100

Zunächst werden zwei Äquivalente des mit n-Butyllithium deprotonierten 4-Ethynylpyridins

32 mit einem Äquivalent des mit 1,3-bis-(diphenylphosphino)propan (dppp) chelatisierten

Pt(II)Cl2 31 umgesetzt, die nach Aufarbeiten zum cis-Pt(dppp)(4-ethynylpyridin)2 führen, dem

erwünschten Monomer 33. Äquimolare Mengen dieses Monomers 33 und des cis-

Pt(dppp)(OTf)2 34 bilden nach vier Stunden bei Raumtemperatur in Dichlormethan den

geladenen vierkernigen Komplex 35. Der erhaltene Makrozyklus 35 trägt vier positive

Ladungen, die mit vier Triflat-Gegenionen neutralisiert sind.

Abbildung 49 zeigt das MALDI-TOF-Massenspektrum des erhaltenen Makrozyklus 35, der

zunächst mit Dithranol als Matrix gemessen wurde. Das Signal bei m/z 3286 entspricht dem

intakten Quadrat, das durch den Verlust eines Triflat-Gegenions eine einfach positive Ladung

erhält. An dieser Stelle kann die MALDI-Messung mit einem bereits veröffentlichen „Fast-

Atom Bombardment“ (FAB) -Massenspektrum91 der gleichen Probe verglichen werden. Bei

der FAB-Charakterisierung des Quadrats 35 konnte der [M-OTf]-Peak nicht detektiert

werden, dagegen wurde ein Signal bei m/z 1568 gemessen, das einem doppelt geladenen

Makrozyklus zugeordnet werden könnte, dem zwei Gegenionen fehlen. Das Masse-zu-

Ladungsverhältnis eines solchen Aggregats besitzt nach Gleichung 16 einen Wert von 1568

g/mol.

m z M OTfM MOTf

( )− =− ⋅

=22

21568 Gleichung 16

Ein zweifach geladenes Molekül kann auch anhand des Isotopenmusters von einem einfach

geladenen Molekül unterschieden werden: Bei einem zweifach geladenen Ion beträgt der

Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Isotopenpeaks nur 0,5 m/z-Einheiten, wogegen

der Abstand bei einem einfach geladenen Ion 1,0 m/z-Einheiten beträgt. Nun zeigt das

abgebildete Signal bei m/z 1568 auf dem FAB Spektrum ein Abstand von 1,0 m/z-Einheit

zwischen den Isotopenpeaks. Dieses Signal, das bei dem MALDI-Massenspektrum ebenfalls

detektiert wird, entspricht also nicht, wie in der Publikation beschrieben, einem doppelt

geladenen Makrozyklus, sondern muß einer anderen Struktur zugeordnet werden (s. Tabelle

5). Diese Struktur entspricht dem Monomer 33, welches zu einem Komplex 34 chelatisiert ist,

und bildet somit ein „halbes Quadrat“. Dieses Aggregat könnte prinzipiell während der

Synthese ebenso wie im Massenspektrometer gebildet worden sein.

Hauptteil

101

500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

5000

10000

[M-OTf]+

a.i.

m/z

2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400

500

1000

1500

- OTf

- OTf

- OTf

- OTf

2026.4

2175.52324.7

2473.7

3136.9

3286.0

a.i.

m/z

600 800 1000 1200 1400 16000

5000

10000

607.5756.8

1419.3

1568.3- OTf - OTf

a.i.

m/z

a)

b)

c)

Abbildung 49: b) MALDI-TOF-Massenspektrum des mit Dithranol gemessenenmolekularen Quadrates 35 und Ausschnitte: a) 1990<m/z<3500. Intaktes undhalbes Quadrat, c) 500<m/z<1700. Quadratecken

Hauptteil

102

Tabelle 5: Zugeordnete Strukturen der im MALDI-TOF-Massenspektrum desmolekularen Quadrates 35 gekennzeichneten Signale

gemessen zugeordnete Struktur theoretisch

m/z Chelat Gegenionen z m m/z

3286,0Pt N

PPh2

PPh2

N

Pt

Pt N

N

Ph2P

PPh2

P

PPh2

Pt P

Ph2P

Ph2Ph2

2+

2+

3 OTf 1 3285,8 3285,8

3136,9 " 2 Otf 2 3136,7 1568,4

2473,7Pt N

PPh2

PPh2

N

Pt

Pt

Ph2P

PPh2

P

PPh2

Ph2

2+

2+

3 OTf 1 2474,0 2474,0

2324,7 " 2 OTf 2 2325,0 1162,5

2175,5 " 1 OTf 3 2175,9 725,3

2026,4 " 0 Otf 4 2026,8 506,7

1568,3

2+

Pt N

PPh2

PPh2

N

PtP

PPh2

Ph2

1 OTf 1 1568,4 1568,4

1419,3 " 0 Otf 2 1419,3 709,65

756,8Pt

PPh2

PPh2

2+1 OTf 1 756,6 756,6

607,5 " 0 OTf 2 607,5 303,75

Hauptteil

103

Folglich ist das veröffentliche FAB-Massenspektrum unzureichend, um die Existenz des

Quadrats zu beweisen. Dies wird erst mit der schonenderen MALDI-Methode durch die

Detektion des [M-OTf]-Peaks eindeutig nachgewiesen.

Alle Positivionen, die bei der MALDI-TOF-Messung detektiert wurden, sind einfach geladene

Spezies. Dies kann aufgrund des ganzzahligen Abstandes der Isotopenpeaks bei allen Signalen

nachgewiesen werden. Analog zu den im vorherigen Abschnitt untersuchten Gitter-Proben

wird zusätzlich ein Ion bei m/z 3136,9 detektiert, das durch den Verlust eines weiteren

Gegenions aus dem intakten Quadrat entsteht (s. Abbildung 49a und Tabelle 5), aber dennoch

einfach statt zweifach geladen ist. Die Tatsache, daß die Ladungszahl der Moleküle nicht mit

der Anzahl der „verlorenen“ Gegenionen wächst, legt die Schlußfolgerung nahe, daß alle über

den einfachen Ladungszustand hinausgehenden positiven Ladungen mit Elektronen

kompensiert werden. In der Tat stimmt die detektierte Masse genau mit der vorgeschlagenen

Struktur überein (s. Tabelle 5), so daß eine Protonierung ausgeschlossen werden kann. Diese

Reduktion, die offensichtlich während des MALDI-Prozesses stattfindet, kann Signale im

niederen Molekularenbereich (m/z 2324,7- 2175,5- 2026,4- 1419,3- und 607,5) erklären (s.

Abbildung 49 und Tabelle 5). Alle diese detektierten Ionen sind einfach geladen, obwohl sie

durch den Verlust von zwei bis vier Triflat-Gegenionen zwei- bis vierfach geladen sein

sollten. Die detektierten Nebenprodukte, deren Strukturen in Tabelle 5 abgebildet sind,

können prinzipiell während der Synthese gebildet werden, dennoch ist anzunehmen, daß sie

durch Zerfall des Quadrates 35 in der Quelle des Massenspektrometers entstehen. Zum einen

deuten die 1H-, 13C- und 31P-NMR-Spektren nicht auf ein Substanzgemisch in der Probe hin90

und zum anderen sprechen die Labilität der Metall-Ligand-Bindungen sowie die UV-

Absorption des Quadrates 35 für einen Zerfall des Analyten bei der massenspektrometrischen

Untersuchung.74,75 Eine Absorptionsbande im UV-VIS-Spektrum des Analyten wird bei λmax

= 324 nm beobachtet.90 Eine signifikante Absorption der Probe bei der verwendeten N2-

Laserwellenlänge (337 nm) ist daher naheliegend und sollte den Zerfall des labilen

Makrozyklus während der Bestrahlung auslösen. Damit der MALDI-Prozeß unter milderen

Bedingungen ablaufen kann, wurde die Probe mit all-trans-Retinoesäure statt Dithranol als

Matrix gemessen. Mit diesem Matrixwechsel kann (s. vorheriger Abschnitt) der MALDI-

Prozeß durch Bestrahlung des Matrix-Analyt-Gemisch mit weniger Laserleistung stattfinden,

da die Desorptionsschwelle dieser Matrix kleiner ist als bei Dithranol (s. Anhang 2).

Hauptteil

104

500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

1000

2000

3000

[M-OTf]+a.i.

m/z

a)

b)

c)

2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400

250

500

750

3285,5

a.i.

m/z

600 800 1000 1200 1400 1600

1000

2000

3000

4000 607.7

756.8 1419.1 1568.4a.i.

m/z

Abbildung 50: b) MALDI-TOF-Massenspektrum des mit all-trans-Retinoesäuregemessenen molekularen Quadrates 35 und Ausschnitte a)1900<m/z<3500.Intaktes Quadrat; c) 500<m/z<1700. Quadratecken.

Hauptteil

105

Wie erwartet deutet das mit Retinoesäure erhaltene Massenspektrum (s. Abbildung 50) auf

eine Verminderung der Fragmentierung hin. Die Signale bei m/z 2026, 2176, 2325, 2474 und

3137 sind verschwunden, und die Intensität der Signale bei m/z 1568, 1419, 757, und 608, die

ebenfalls Fragmenten zugeordnet wurden, hat stark abgenommen. Die durch den Matrix-

Wechsel erreichten Verbesserungen sind in Abbildung 51 deutlich erkennbar.

a)

b)

500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

5000

10000

x

3286

,0

Matrix=DithranolI1419=10,6 . I3286

xx x

xxxxx

1419

,3

a.i.

m/z

500 1000 1500 2000 2500 3000 35000

1000

2000

3000

x x

1419

xx

Matrix=RetinoesäureI1419=1,2 . I3286

3286

a.i.

m/z

Abbildung 51: Vergleich zwischen den mit a) Dithranol und b) Retinoesäuregemessenen MALDI-TOF-Massenspektren des molekularen Quadrats 35.Verminderung der Fragmentierung beim Matrixwechsel.

Hauptteil

106

Das Intensitätsverhältnis zwischen dem intensivsten Fragment (m/z 1419) und dem

Quasimolekularion [M-OTf] (m/z 3286) ist von 10,6 auf 1,2 zurückgegangen, die

Fragmentierung wird also stark vermindert.

Trotz des äußerst schonenderen MALDI-Prozesses durch Anwendung von all-trans-

Retinoesäure als Matrix bei der Charakterisierung des Chelatkomplexes 35 kann die

Fragmentierung des Makrozyklus nicht vollständig unterdrückt werden. Folglich ist eine

Charakterisierung ähnlicher Verbindungen mit höherem Molekulargewicht mittels MALDI

fraglich, da der Zerfall des Analyten die Detektion des intakten Molekularions verhindern

könnte. Im Rahmen der Analyse der von der Arbeitsgruppe Prof. J. Stang synthetisierten

Proben wurden gemäß den optimierten MALDI-Bedingungen größere Makrozyklen

gemessen. Das molekulare Sechseck 38 (s. Abbildung 52) ist mit einem Molekulargewicht

von 4573 g/mol der nächst größere Makrozyklus, der für MALDI-Messungen zu Verfügung

stand.

O

Pt

Et3P

PEt3TfO

Pt

PEt3

OTfEt3P

3 + 3N

O

N

36 37

38

O

Pt

Et3P

PEt3N

Pt

PEt3

NEt3P

O O

N N

Pt PtEt3P PEt3 Et3P PEt3

O O

PtN

PtN

O

PEt3

Et3P

Et3P

PEt3

CH2Cl2

+ +

++

+ +

+ 6 CF3SO2O -

Abbildung 52: Synthese des molekularen Sechsecks 38

Hauptteil

107

Diese Verbindung sollte durch Selbstorganisation des 4,4’-bis(trans-

Pt(Et3)2OTf)benzophenons 36 mit dem Di-(4-pyridyl)keton 37 in Dichlormethan nach 15

Minuten gebildet werden. Der für die Sechseck-Bildung erforderliche 120°-Bindungswinkel

ist durch das sp2-hybridisierte Kohlenstoffatom der Carbonylfunktionen gegeben, die sowohl

in der organometallischen Ecke 36 als auch in der organischen Eck-Einheit 37 eingebaut sind.

Die Bildung des Makrozyklus 38 sowie anderer molekularer Sechsecke92 konnte bisher nur

mittels NMR-Spektroskopie untersucht werden.93 Bei der 31P- und 1H-NMR-Spektroskopie

deutet die signifikante Verschiebung der Signale im Vergleich zu den unkoordinierten

Vorläufern 36 und 37 auf eine Komplexierung hin, bestimmt aber weder die Zahl der

eingeschlossenen „Subunits“ noch die zyklische Struktur des Analyten. Der einzige Hinweis

auf die Bildung eines Zyklus gegenüber einem offenen Oligomer ist gegeben durch das sehr

scharfe Signal im NMR-Spektren, welches für eine hohe Symmetrie des Analyten spricht.

Diese nur zum Teil charakterisierte Probe sollte nun mit MALDI-TOF Massenspektrometrie

näher analysiert werden.

Abbildung 53a zeigt das MALDI-TOF-Massenspektrum mit Retinoesäure als Matrix. Es

wurde kein Signal für den intakten Makrozyklus detektiert. Alle detektierten Peaks deuten

aufgrund des Isotopenmusters auf einfach geladene Ionen hin, und die höchste detektierbare

Masse der Verbindung erreicht einen Wert von 2568 g/mol. Dies könnte dem

Molekulargewicht eines „halben Sechsecks“ entsprechen, dessen Struktur und

Isotopenverteilung in Abbildung 53 dargestellt sind. Aufgrund der NMR-Spektren, die eine

hohe Symmetrie des Analyten nahelegen, ist zu vermuten, daß diese Verbindung (m/z 2568)

erst bei der massenspektrometrischen Untersuchung durch Fragmentierung gebildet wird. Die

Fragmentierung könnte demnach entweder im Massenspektrometer oder schon bei der

Probenvorbereitung stattfinden.

Hauptteil

108

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

10000

20000

2568.2

a.i.

m/z

a)

b)

c)

O

Pt

Et3P

PEt3N

Pt

PEt3

Et3PO

N

PtEt3P PEt3

O

PtPEt3

Et3P

+

+

+ 2 CF3SO2O -

+

+

2555 2560 2565 2570 2575 2580

Experiment

2568

.2

m/z

Simualtion

Abbildung 53: a) MALDI-TOF-Massenspektrum des mit Retinoesäure gemessenenmolekularen Sechsecks 38 ; b) Ausschnitt: Signal bei der höchsten detektiertenMasse ; c) Simulierte Isotopenverteilung des zugeordneten Fragmentes

Diese Untersuchung zeigt, daß die Möglichkeit der MALDI-TOF-Massenspektrometrie bei

der Charakterisierung solcher Proben begrenzt ist. Tatsächlich konnten auch nach sorgfältiger

Optimierung der experimentellen Bedingungen keine noch größeren Makrozyklen

nachgewiesen werden. Eine erfolgreiche MALDI-Messung hängt sehr stark von der

Hauptteil

109

Probenvorbereitung ab, und es ist schwierig, bei uncharakterisierten Proben zu bestimmen, ob

das Scheitern der Analyse auf eine nicht optimale Probenvorbereitung zurückzuführen ist, ob

die Probe überhaupt mit MALDI nicht meßbar ist oder ob das erwartete Produkt in der Probe

gar nicht vorhanden ist. Diese Problematik spielt ebenfalls bei der Analyse von unlöslichen

polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH), die im nächsten Kapitel behandelt

werden, eine entscheidende Rolle. Für diese unlöslichen Substanzen sind keine

Charakterisierungsmethoden vorhanden, die einen Strukturbeweis liefern. Dies bedeutet, daß

vor der ersten erfolgreichen Messung keine andere Vergleichsmethode darauf hindeuten kann,

ob die erwartete Verbindung tatsächlich vorhanden ist. Die Bildung des Zielmoleküls kann

ausschließlich aufgrund des Syntheseweges vorausgesetzt werden.

Hauptteil

110

III.4. Charakterisierung von ausgedehnten, unlöslichen polycyclischen

aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) mit MALDI-TOF-MS

III.4.1 Problematik der Charakterisierung von PAHs

Scheibenartige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) und ihre

supramolekulare Anordnung sind gegenwärtig Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten.94

Eine systematische Modifikation der Form und Größe dieser ausgedehnten aromatischen

Systeme ermöglicht die Untersuchung ihrer supramolekularen Struktur95,96,97,98 und der

Wechselbeziehung zwischen der supramolekularen Anordnung und den resultierenden

elektronischen Eigenschaften. Weiterhin dienen die definiert synthetisierten ausgedehnten

PAHs als Modell zur Aufklärung des molekular unbestimmten Graphits.99,100 Im Gegensatz

zur herkömmlichen Herstellung ausgedehnter PAHs nach thermischen Verfahren, die

meistens zu einem breiten Produktspektrum führen, wurde in unserer Arbeitsgruppe ein

synthetischer Zugang entwickelt, der die Darstellung definierter PAHs ermöglicht. Das

Syntheseverfahren beruht auf den folgenden beiden Schritten: 1) Aufbau einer löslichen

Polyphenylenvorstufe genau definierter Struktur mit der gleichen Anordnung der Phenylringe

wie das Zielmolekül; 2) Planarisierung dieser Vorstufe zum PAH durch Cyclodehydrierung.

Zum Aufbau von Polyarylverbindungen wurden bisher verschiedene Synthesestrategien

verfolgt:

(a) Intramolekulare Diels-Alder-Cycloaddition von Oligo(phenylenvinylen)-Verbindungen (s.

Schema 6)101,102

a b

39 40 41

Schema 6. a) 135°C, 1,1,2,2-Tetrachlorethan; b) 2,3-Dichlor-5,6-dicyan-1,4-benzochinon (DDQ), 135°C, 1,1,2,2-Tetrachlorethan; AlCl3/CuCl3, RT, CS2

Hauptteil

111

(b) Cyclotrimerisierung substituierter Diphenylacetylene 42, die zu PAH-Vorstufen mit

hexagonaler Symmetrie führt (s. Schema 7),103

44 R=H44a R=tBu

R R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

a b

42

43

Schema 7. a) [Co2(CO)8, Dioxan, 100°C (92% Ausbeute); b) Cu(CF3SO3)2/AlCl3,CS2, 25°C

(c) Intermolekulare Diels-Alder-Cycloaddition von Tetraphenylcyclopentadienonen 45 mit

Diarylacetylenen 46 (s. Schema 8).104 Mit der Auswahl eines geeigneten Alkins können

ebenso Dendronen bzw. Dendrimere hergestellt werden, die als lösliche

Polyphenylenvorstufe zum Aufbau der PAHs dienen können.105

OR

R

R

R+

R

R

R

R

R

R

RR

R

R

R

R

R

R

RR

48 R=H48a R=tBu

45 46

47

a

b

Schema 8. a) Ph2O, 250°C, 6-8h; b) CuCl2/AlCl3, 25°C, CS2; tBuLi (Überschuß);H2O (>90°C)

Hauptteil

112

Die Oligophenylenvorläufer werden in einer abschließenden oxidativen

Cyclodehydrierungsreaktion zum entsprechenden planaren PAH umgewandelt. Die

Reaktionsbedingungen sind aus der Arbeit von P. Kovacic abgeleitet,106 der Benzol und

dessen Derivate bei milden Reaktionsbedingungen polymerisieren konnte. Die Kombination

von Aluminium(III)chlorid mit Kupfer(II)chlorid bzw. Kupfer(II)trifluormethansulfonat

ermöglicht in den meisten Fällen die quantitative Cyclodehydrierung der

Oligophenylenvorläufer zu den planaren PAHs. Die schwächere Lewissäure Eisen(III)chlorid

hat sich als sehr mildes Cyclodehydrierungsreagenz ebenfalls bewährt, insbesondere zur

Planarisierung empfindlicher alkylsubstituierter Vorläufer.104 Ein weiterer Vorteil in der

Verwendung von Eisen(III)chlorid besteht darin, daß diese Lewissäure selber ein

Oxidationspotential besitzt, das für die Bildung von Aryl-Aryl-Bindung ausreicht.

Die löslichen Polyphenylenvorläufer können mit 1H-, 13C-NMR und Massenspektrometrie

(FD, MALDI-TOF) identifiziert werden. Nach intramolekularer Wasserstoffabspaltung und

C-C-Bindungsknüpfung dieser Polyphenylenvorstufen sind aber die daraus hergestellten

planaren PAHs meistens unlöslich und ihre Charakterisierungsmöglichkeiten stark

eingeschränkt. Das Hexa-peri-hexabenzocoronen 44 (s. Schema 7), das zu den kleinsten in

unserer Gruppe synthetisierten Graphitausschnitten zählt, zeigt z.B. bereits eine sehr geringe

Löslichkeit.103 Um die Löslichkeit der PAHs zu erhöhen, wurde versucht, diese mit

Alkylgruppen zu substituieren. Während Molekül 44a in organischen Lösungsmitteln gelöst

werden kann und die Moleküle 48a, 49a in vielen Lösungsmitteln zumindest teilweise löslich

sind, ist Molekül 50a praktisch unlöslich.104 Offensichtlich reichen die sechs tert-

Butylgruppen nicht aus, um diesem großen planaren PAH ausreichende Löslichkeit zu

verleihen.

Hauptteil

113

R

R

R

R

R R

R

RRRR

R

49 R=H49a R=tBu

50 R=H50a R=tBu

R

R

R

R

R

R

Bei Herstellung von immer ausgedehnteren planaren PAHs wird die Zahl der für eine

Alkylgruppe zugänglichen Kohlenstoffe im Verhältnis zu der Molekülfläche immer weiter

abnehmen, und die Alkylsubstitution wird die Löslichkeit extrem großer PAHs nicht erhöhen

können. Die konventionellen Charakterisierungsmethoden erfordern jedoch einen löslichen

Analyten und erweisen sich daher für unlösliche Verbindungen als unbrauchbar. Einen

Ausweg aus dieser Lage könnte durch entsprechende Weiterentwicklungen in den

massenspektrometrischen Methoden gefunden werden und ist Gegenstand des folgenden

Kapitels.

III.4.2 Charakterisierung unlöslicher PAHs mit Massenspektrometrie

III.4.2.1 Möglichkeiten und Grenzen der Laserdesorption-TOF-MS zur

Charakterisierung unlöslicher PAHs

Die Laserdesorption (LD),107 die zur Untersuchung von Oberflächen entwickelt wurde, kann

auch für unlösliche Substanzen eingesetzt werden. Dabei wird der Analyt durch direkten

Beschuß mit dem Laser (hier N2-Laser) desorbiert und ionisiert. Aufgrund ihrer UV-

Absorption und der damit verknüpften effektiven Energieübertragung der Laserstrahlung

können kleine bis mittlere PAHs (Molmasse unter 2000 g/mol) mit LD charakterisiert werden.

Hauptteil

114

a)

b)

c)

0 500 1000 15000

2000

4000

6000

8000

10000 742

a.i.

m/z

0 500 1000 1500

1000

2000

3000

4000 522

a.i.

m/z

0 500 1000 1500

2000

4000

6000

8000

10000 962

a.i.

m/z

44M=522 g/mol

51M=742 g/mol

52M=962 g/mol

Abbildung 54: LD-Massenspektren der PAHs: a) 44; b) 51; c) 52

Hauptteil

115

Abbildung 54 zeigt beispielhaft das LD-Massenspektrum des Hexa-peri-benzocoronens 44

sowie der PAHs 51 und 52, deren Struktur in Schema 9 abgebildet ist.108,109

a

b

51C60H22

52C78H26

Schema 9. a) Cu(OSO2CF3)2/AlCl3, 25°C, CS2 (>90°C); b) Cu(OSO2CF3)2/AlCl3,RT, CS2, 2d

Bei dieser LD-Messungen ist es wichtig, die Laserleistung nur wenig über der Desorptions-

Ionisationsschwelle des PAHs einzustellen. Der Einfluß einer höheren Laserleistung auf das

LD-Massenspektrum kann durch die Messung von PAH 52 mit steigender Laserleistung

veranschaulicht werden (s. Abbildung 55). Während das Spektrum in Abbildung 55a als

einziges Signal das des erwünschten Produkts 52 aufweist, erscheinen bei Erhöhung der

Laserleistung neue Signale im Bereich sowohl kleinerer als auch größerer Molmassen (s.

Abbildung 55b und c). Die bei kleineren Molmassen als 962 g/mol liegenden Signale

entsprechen Fragmentionen, die in der Ionenquelle erzeugt wurden. Die bei höheren

Molmassen als 962 g/mol liegenden Signale sind höchstwahrscheinlich auf Rekombination

zweier Fragmente bzw. eines Fragments mit dem Analytmolekül zurückzuführen. Dieses

Phänomen wird als Koaleszenz bezeichnet.

Hauptteil

116

a)

b)

c)

850 900 950 1000 1050 11000

5000

10000

a.i.

m/z

850 900 950 1000 1050 11000

5000

10000

15000

a.i.

m/z

850 900 950 1000 1050 11000

500962.2

a.i.

m/z

52M=962 g/mol

Steigende Laserleistung

Abbildung 55: Einfluß der Laserleistung auf das LD-TOF-Massenspektrum desPAHs 52 : a) Laserleistung wenig über der Ionisierungsschwelle, b) Leichterhöhte Laserleistung, c) Hohe Laserleistung

Hauptteil

117

Bei der Analyse von PAHs mit höheren Molekulargewichten treten unter Anwendung der LD-

Methode Schwierigkeiten auf. So wurde festgestellt, daß ein umgehend nach der Synthese

gemessener PAH problemlos mit LD charakterisiert werden kann, während nach einigen

Tagen eine höhere Laserleistung für die Desorption des Analyten gebraucht wird, die dann zur

Fragmentierung führt. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen basiert auf der Bildung

semikristalliner Domänen nach vollständiger Entfernung des Lösungsmittels, wodurch die

Kohäsion zwischen den Molekülen erhöht und somit die Desorption erschwert wird. Die

Kristallstrukturen kleiner PAHs sind in der Literatur zu finden.95,110 Die bekannten PAH-

Kristalle lassen sich in vier Packungstypen klassifizieren: die Herringbone-, die Sandwich-

Herringbone-, die γ- und die β-Strukturen (s. Abbildung 56).

Abbildung 56: Die 4 grundlegenden Typen der Kristallpackung von PAHs.110 a)Herringbone-Struktur am Beispiel von Naphtalin; b) Sandwich-Herringbone-Struktur am Beispiel von Pyren; c)γ-Struktur am Beispiel von Coronen; d) β-Struktur am Beispiel von Tribenzopyren

Ein wesentliches Merkmal für die Ausbildung der unterschiedlichen Strukturen ist die relative

Energie der C-C- und der C-H-Wechselwirkungen. Während die C-C-Wechselwirkungen der

Aromaten molekulare Stapel bewirken, führen die C-H-Wechselwirkungen zu einer

gewinkelten Anordnung der Moleküle. Mit zunehmendem Molekulargewicht der PAHs

wächst das Zahlenverhältnis der inneren C-Atomen zur Peripherie. Daher ist zu erwarten, daß

Hauptteil

118

der Beitrag der C-C-Wechselwirkungen immer dominanter gegenüber den C-H-

Wechselwirkungen wird, so daß der Winkel zwischen den Molekülen im Kristall immer

kleiner wird. Somit wird in der Kristallstruktur ein Übergang von der β-Struktur zur planaren

Graphitstruktur (s. Abbildung 57) erwartet.

Abbildung 57: Ausschnitt aus der Struktur von hexagonalem Graphit

Mit zunehmendem Molekulargewicht des PAHs wird eine steigende Kohäsionsenergie

erwartet96 und damit eine wachsende Laserleistung benötigt, um den Analyten mit

Laseranregung zu desorbieren. Die erforderliche höhere Laserleistung wird aber ab einem

bestimmten Wert die Fragmentierungsschwelle überschreiten und dadurch den Zerfall des

PAHs verursachen. Die LD-Massenspektren des PAHs 52 bei hoher Laserleistung (Abbildung

55b und c) können als Simulation der Verhältnisse bei noch größeren PAHs betrachtet

werden, deren Molekulargewichte jenseits des Anwendungsbereichs von LD liegen, und

verdeutlichen somit die Grenze der Methode. Um die Problematik der LD-Methode zu

veranschaulichen, sind in Abbildung 58 die Desorptions-, Ionisations- und

Fragmentierungsschwellen als Funktion des Analyt-Molekulargewichts qualitativ dargestellt.

Hauptteil

119

Molekulargewicht

Desorptionsschwelle

Fragmentierungsschwelle

Anwendungsbereich von LD

Energie

Abbildung 58: Qualitativ Darstellung der Desorptions-/Ionisations- undFragmentierungsschwelle als Funktion des Analyt-Molekulargewichts bei LD

Um die Desorptionsschwelle größerer PAHs zu verringern und somit den Anwendungsbereich

von LD etwas zu erweitern, kann die Probenvorbereitung angepaßt werden. Diese

Modifikation wurde von Kimihiro Yoshimura durchgeführt. Dabei wird die Probe mit

Glaskügelchen im Lösungsmittel (z.B. Tetrachlorethan) in einem Schüttelbecher für ca. 2 min.

gemahlen oder in Lösung mit Ultraschall behandelt. Eine „Zersetzung“ der Kristallite und

somit eine Verminderung der zusammenhaltenden Wechselwirkungen wird dadurch offenbar

erzielt. Die Verbesserung durch diese Probenvorbereitung beweist das Massenspektrum des

PAHs 54 (s. Abbildung 59), dessen Darstellung in Schema 10 abgebildet ist.111

Hauptteil

120

53 54

C114H30M=1398 g/mol

Schema 10: Cyclodehydrierung von 53 zum PAH 54 (AlCl3/CuOTf2, CS2, RT)

1390 1395 1400 1405 1410 1415

b)

a)

Suspension

Pulver

m/z

Abbildung 59: Optimierung der Probenvorbereitung für LD-Messungen. LD-Massenspektrum des PAHs 54 gemessen a) aus der Pulver und b) nach Dispersionim Lösungsmittel (C2H2Cl4)

Während die LD-Messung der unbehandelten Probe nur undefinierte Signale aufweist (s.

Abbildung 59a), können nach Zerkleinerung der Kristallite isotopenaufgelösten Signale

aufgenommen werden (s. Abbildung 59b). Neben dem Peak des erwarteten Produkts 54

werden zusätzliche Signale detektiert. Auf die Zuordnung dieser unerwünschten Signale wird

im Kapitel III.4.2.5 (s. S.164) näher eingegangen.

Hauptteil

121

Der noch größere PAH 55, dessen Darstellung112 in Schema 11 abgebildet ist, kann dank

dieser verbesserten Probenvorbereitung noch mit LD charakterisiert werden (s. Abbildung

60).

55C132H34

Schema 11. Bildung von PAH 55 (CuCl2/AlCl3, C2H2Cl4, 100°C, 9h)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

1000

2000

3000

4000

1618

a.i.

m/z

55M=1618 g/mol

Fragmente ?

Abbildung 60: LD-Massenspektrum von PAH 55. UnvermeidlicheFragmentierung?

Hauptteil

122

Dennoch werden bei dieser Probe neben dem Signal des Molekularions noch drei Signale bei

niedrigeren Masse-zu-Ladungsverhältnissen detektiert. Diesen Signalen können Moleküle mit

dem Verlust von einem, fünf oder neun aromatischen Ringen aus Struktur 55 zugeordnet

werden, die entweder bei der Synthese oder im Massenspektrometer gebildet wurden. Die

zweite Möglichkeit ist die wahrscheinlichste, da die LD-Methode nur einen begrenzten

Massenbereich besitzt, in dem Analyte intakt desorbiert werden können (s. Abbildung 58).

Jenseits dieses Massenbereichs führt die benötigte Laserleistung zur unvermeidlichen

Fragmentierung des Analyten.

Abbildung 61 zeigt nun das LD-Massenspektrum des PAHs 57, das nach oxidativer

Cyclodehydrierung des Oligophenylens 56 (s. Schema 12) synthetisiert wurde.104

56 C222H150M=2814 g/mol

57 C222H42M=2706 g/mol

Schema 12. Cyclodehydrierung von 56 zur Bildung von PAH 57

Eine Vielzahl von Signalen mit kleineren und größeren Massen als der des Zielprodukts 57

(2706 g/mol) wird detektiert. Im niedermolekularen Bereich (m/z<1000 Da) deuten die sehr

intensiven Signalen auf eine starke Fragmentierung hin. Im Bereich der für das Zielmolekül

57 erwarteten Masse (2706 g/mol) wird eine breite und dichte Signalverteilung detektiert. Sie

erstreckt sich von ca. 1500 bis 5000 Da d.h. weit über das Molekulargewicht sowohl des Ziel-

als auch des Ausgangsprodukts (2814 g/mol). Dies deutet auf Fragmentierung und Koaleszenz

des Analyten hin. Außerdem ähnelt der regelmäßige Abstand zwischen diesen zahlreichen

Hauptteil

123

Signalen, der ca. 24 g/mol (C2-Einheiten) beträgt, den Signalverteilungen, die von

Fragmentierungs- und Koaleszenzreaktionen von Fullerenen113 und kleinen PAHs114,115

bekannt sind. Diese Analyte weisen bei LD-Experimenten mit hoher Laserleistung auch eine

Signalverteilung mit dem regelmäßigen Abstand von 24 g/mol auf, die sich im Massenbereich

unterhalb sowie oberhalb des Analyten erstreckt. Offensichtlich befindet sich das

Molekulargewicht des sehr großen PAHs 57 außerhalb des Anwendungsbereichs von LD, und

es findet bereits ein Zerfall des Analyten während der Desorption statt. Anhand dieses

Massenspektrums ist es schwierig zu beurteilen, welche Produkte bei der Reaktion erhalten

und welche erst im Massenspektrometer gebildet wurden.

1000 2000 3000 4000 50000

2500

5000

7500

a.i.

m/z

1500 2000 2500 3000 3500 4000

500

1000

Zielprodukt 57 M=2706 g/mol

??

a.i.

m/z

Abbildung 61: LD-Massenspektrum des Produkts nach oxidativerCyclodehydrierung von Oligophenylen 56

Hauptteil

124

Zur Veranschaulichung der Beobachtungen wird abschließend die Charakterisierung der

unlöslichen PAHs mit LD und deren Limitierung durch Abbildung 62 schematich dargestellt.

Abbildung 62 soll den qualitativen Verlauf der Desorptions- und Fragmentierungsschwellen

mit steigendem Molekulargewicht darstellen und zeigt die Ursache für die Grenzen der LD-

Methode. Abbildung 62 ist analog zu Abbildung 58, enthält jedoch zusätzlich die konkreten

Molekulargewichte, die nach den Experimenten mit unterschiedlich großen PAHs nun

zugeordnet werden können. Der Anwendungsbereich der LD-Methode für die

Charakterisierung unlöslicher PAHs kann somit konkret bestimmt werden.

Molekulargewicht

Desorptionsschwelle

Fragmentierungsschwelle

Anwendungs-bereich von LD

Energie

C42H18

M=522

C132H34

M=1618 C222H42

M=2706

Abbildung 62: Charakterisierung von unlöslichen PAHs mit LD: SchematischeEntwicklung der Desorptions- und Fragmentierungsschwelle als Funktion desAnalyt-Molekulargewichts

Hauptteil

125

III.4.2.2 Weiterentwicklung von MALDI zur Charakterisierung ausgedehnter

unlöslicher PAHs

Die Charakterisierung des PAHs 57 sowie noch größerer PAHs benötigt folglich einen

milderen Desorptionsprozeß als den bei direkter Laserdesorption. Bei löslichen organischen

Verbindungen wurde MALDI-TOF-MS eingeführt, um die Molekulargewichtsgrenze der LD-

TOF-MS überzuwinden.116 Damit große Analytmoleküle (einige Tausend bis einige

Hunderttausend g/mol) in die Gasphase ohne Fragmentierung überführt werden können,

werden sie bei der MALDI-Methode in einem Überschuß von Matrix-Molekülen (z.B. 1:1000

Analyt:Matrix) eingebettet und voneinander isoliert.15,117 Die kleinen organischen Matrix-

Moleküle absorbieren die Laserenergie und sublimieren. Gleichzeitig werden die in der

Matrix eingebetteten Analytmoleküle ohne direkte Anregung und praktisch

fragmentierungsfrei in die Gasphase mitüberführt. Obwohl die Analyt-Matrix-Mischung in

kondensierter Phase in das Massenspektrometer eingeführt wird, erfordert die konventionelle

Probenvorbereitung15 lösliche Analyt- und Matrixmoleküle, um homogene Mischungen vor

der Verdampfung des Lösungsmittels zu erzielen. Damit wird die Anwendung von MALDI

auf lösliche Proben begrenzt. Allgemein wird angenommen, daß die nach der Verdampfung

des Lösungsmittels hinterlassene mikrokristalline Struktur der Probe eine Rolle spielt, daß

also das Kristallgitter, in das der Analyt quasi als Fehlstelle eingebaut ist, für den

Desorptionsprozeß wichtig ist. Es existiert jedoch kein Beweis dafür, da die äußerst geringe

Analytkonzentration eine Visualisierung des Analyten in der Kristallstruktur der Matrix

verhindert. Im Gegenteil, die Probenvorbereitungen mit flüssigen Matrices118,119,120 oder mit

unlöslichen Matrices121 (wie schon bei den frühesten MALDI-Experimenten von Tanaka117)

deuten daraufhin, daß lediglich eine homogene Verteilung des Analyten in der Matrix für den

MALDI-Prozeß erforderlich ist. Unseren Überlegungen zufolge gibt es also keinen

zwingenden Grund für den „Umweg“ über den gelösten Zustand von Matrix und Analyt. Es

wurde daher im Laufe dieser Arbeit die systematische Entwicklung einer speziellen

Probenvorbereitung durchgeführt, um den MALDI-Prozeß auch für unlösliche PAH-Proben

zu erzielen.

III.4.2.2.1 Vorversuche

Zur Erzielung möglichst kleiner Korngrößen und einer homogenen Mischung wurde zunächst

eine feine Dispersion des Analyten 57 in einer Matrix-Lösung getestet. Dabei wurde als

Hauptteil

126

Matrix Dithranol in THF gelöst. Der Analyt wurde mit einer Kugelmühle gemahlen und

anschließend in der Matrix-Lösung im Ultraschallbad weiter zerkleinert. Leider zeigt das

Massenspektrum (hier nicht abgebildet) zwar Matrix-Peaks, aber keine Signale des Analyten.

Das Scheitern dieser Probenvorbereitung liegt wahrscheinlich an der Entmischung zwischen

Analyt- und Matrixmolekülen im Verlauf der Lösungsmittelverdampfung (s. spätere Versuche

S. 138).

Als weitere Probenvorbereitung wurde eine mechanische Homogenisierung der festen Proben

von Matrix- und Analyt-Pulver betrachtet und vollkommen auf die Beteiligung eines

Lösungsmittels verzichtet. Diese Festphasenprobenvorbereitung wurde mit Hilfe einer

Kugelmühle durchgeführt, die nach Hersteller-Spezifikationen eine minimale Partikelgröße

von ca. 1 µm in einigen Minuten erzielen kann. Für die Vorversuche wurde die Methode

zunächst auf lösliche Polystyrol-Standards (M≈4000 g/mol) mit unterschiedlicher Endgruppen

angewendet: Ein mit einer Dimethylbenzylamino(DMB)-Gruppe und ein mit tert-Butyl

terminiertes Polystyrol 58 bzw. 59.

58 59

H

N

n n

HH9C4

Diese Proben können mit der MALDI-Methode (nach einer üblichen Probenvorbereitung in

Lösung) als intaktes Molekül in die Gasphase überführt und als protonierte bzw. kationisierte

Verbindungen detektiert werden, wogegen diese bei der LD-Methode zersetzt werden. Als

Matrix wurde Dithranol verwendet, und beim Polystyrol 59 wurde für die Kationisierung

Silbertrifluoracetat als Pulver zur Analyt/Matrix-Mischung beigemischt (immer vollkommen

ohne Lösungsmittel). Für die Festphasenprobenvorbereitung und deren Vergleich mit

konventionelle Probenvorbereitung in Lösung wurden unterschiedliche molare Matrix/Analyt-

Mischungsverhältnisse (50:1, 500:1, 5000:1) getestet. Abbildung 63 zeigt die

Vergleichsspektren für das Polystyrol 58 beim Mischungsverhältnis 500:1 (Dithranol: PS 58):

Hauptteil

127

Die trocken vorbereitete Probe (s. Abbildung 63b) ergibt unter ähnlicher Laserleistung das

gleiche Massenspektrum wie die in Lösung vorbereitete Probe (s. Abbildung 63a). Auch bei

anderen Matrix/Analyt-Mischungsverhältnissen führen die unterschiedlichen Proben-

vorbereitungen zu den gleichen Massenspektren. Sogar bei der Messung von Polystyrol 59,

das in einer Mischung aus drei Komponenten (Polystyrol/Dithranol/Silbersalz) vorliegt, liefert

die Festphasenprobenvorbereitung Massenspektren von gleicher Qualität.

3000 3200 3400 3600 3800 40000

5000

10000

15000

20000

a.i.

m/z

3000 3200 3400 3600 3800 40000

2000

4000

6000

8000

a.i.

m/z

b)

a)

MALDI-Probenvorbereitungohne Lösungsmittel

MALDI-Probenvorbereitung

in THF

H

N

n

58

Abbildung 63: MALDI-Massenspektren von PS 58 gemessen mit Dithranol alsMatrix nach unterschiedlichen Probenvorbereitungen: a) konventionellePräparation in THF, b) Festphasenprobenvorbereitung.

Hauptteil

128

Diese Vorversuche zur Festphasenprobenvorbereitung mit löslichen Polymeren zeigen

eindeutig, daß die mechanische Homogenisierung des Analyten in der Matrix prinzipiell den

MALDI-Prozeß ermöglicht. Dieses Ergebnis ist besonders bemerkenswert, da diese

Möglichkeit der Probenvorbereitung ein großen Entwicklungspotential besitzt und bisher noch

keine Erwähnung in der Literatur gefunden hat. Nun sollte diese Probenvorbereitung für die

Analyse unlöslicher PAHs angewendet werden.

Eine erfolgreiche Matrixunterstützung bei PAH-Proben kann nicht mit kleinen PAHs

(Molekulargewicht unter 2000 g/mol) bewiesen werden, da diese auch mit LD

charakterisierbar sind, d.h. durch direkten Beschuß mit einem N2-Laser desorbiert werden

können. Nur eine bisher nicht charakterisierbare Substanz kann den eindeutigen Beweis für

die drastische Verbesserung der Analyse durch die Matrixunterstützung liefern. Das Produkt

der Cyclodehydrierung von Oligophenylen 56 ist daher ein geeigneter Prüfstein für die

Anwendung und Verbesserung dieser Methode. Von Johann-Diedrich Brand wurde im

Rahmen seiner Doktorarbeit eine Reihe von Experimenten mit verschiedenen

Cyclodehydrierungsbedingungen durchgeführt. Dies führte zu Reaktionsprodukten, die mit

konventioneller Analytik bisher nicht zu charakterisieren waren. Die Optimierung der

Festphasenprobenvorbereitung für MALDI wurde zunächst mit dem Produkt aus der Reaktion

von 56 mit AlCl3/Cu(II)OTf2 in Schwefelkohlenstoff (Raumtemperatur, 21 Tage)

durchgeführt. Diese Probe wird im weiteren Text als Probe 1 bezeichnet (s. Schema 13).

56 C222H150

Probe 1AlCl3/CuOTf2

CS2, RT 21 Tage

Schema 13. Bildung von Probe 1 nach Cyclodehydrierung von Oligophenylen 56

Hauptteil

129

III.4.2.2.2 Entwicklung der MALDI-Festphasenprobenvorbereitung zur PAH-Analyse

Die Festphasenprobenvorbereitung des Produkts aus der Reaktion von 56 mit

AlCl3/Cu(II)OTf2 in Schwefelkohlenstoff (Raumtemperatur, 21 Tage, im Folgenden mit Probe

1 bezeichnet) wurde zunächst mit Dithranol als Matrix getestet. Dabei wurden abgewogene

Mengen von Probe 1 und Dithranol im Mahlbecher gemischt und dann für weitere 10 min in

der Kugelmühle bei Raumtemperatur gemahlen. Mischungen mit molaren Analyt/Matrix-

Verhältnissen von 1:50, 1:500 und 1:5000 wurden vorbereitet und auf das Target aufgebracht.

Abbildung 64 zeigt die erhaltenen Massenspektren.

2600 2800 3000 3200 3400

1:500

2600 2800 3000 3200 3400

Probe1:Dithranol1:50

2600 2800 3000 3200 3400

2708.8 1:5000

m/z

a)

b)

c)

Abbildung 64: Massenspektren der Probe 1 nach Mischung bei RT mit Dithranolin unterschiedlichen molaren Verhältnissen von Analyt zu Matrix: a) 1:50; b)1:500; c) 1:5000

Hauptteil

130

Der Molekularpeak des erwarteten PAHs 57 (Mavg= 2708.8 g/mol) wird bei den Mischungen

1:500 und 1:5000, wenn auch mit niedriger Intensität detektiert, während er bei der Mischung

1:50 im Untergrundrauschen verschwindet. Bei höheren Massen werden zusätzlich

Nebensignale detektiert, deren Zuordnung später betrachtet wird (s. Kap. III.4.2.3). Trotz einer

schlechten Qualität des Massenspektrums (schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, niedrige

Auflösung) wurde die Desorption von Probe 1 offensichtlich durch die Matrix unterstützt. In

der Tat sind die Fragmentsignale, die beim LD-Massenspektrum (s. Abbildung 61, S. 123)

unvermeidbar waren, jetzt verschwunden. Um die Aussagekraft des Massenspektrums weiter

zu erhöhen, muß die Probenvorbereitung weiter optimiert werden.

2600 2800 3000 3200 3400

2708.8

1:5000

m/z

2600 2800 3000 3200 3400

1:500

2600 2800 3000 3200 3400

Probe 1:Dithranol1:50

a)

b)

c)

Abbildung 65: Massenspektren der Probe 1 nach Mischung unter Kühlung mitflüssigen N2 mit Dithranol bei unterschiedlichen molaren Verhältnissen: a) 1:50;b) 1:500; c) 1:5000

Hauptteil

131

Die mit Dithranol bei Raumtemperatur vorbereiteten Proben sind etwas „klebrig“ wodurch die

Homogenisierung des Analyten im Matrix-Pulver erschwert wird. Um Analyt und Matrix

unter diesen Gegebenheiten zu homogenisieren, wurden die gleichen Mischungen unter

Kühlung mit flüssigen Stickstoff präpariert, da bei tiefen Temperaturen Versprödung eintreten

sollte. Der Vergleich von Abbildung 65 mit Abbildung 64 zeigt die daraus resultierenden

verbesserten Massenspektren. Aus den Ergebnissen können zwei wichtige Punkte abgeleitet

werden: Zum einen ist die Matrixunterstützung für die Desorption von 57 bei der Mischung

1:5000 eindeutig nachgewiesen, zum anderen zeigt das Analyt/Matrix-Mischungsverhältnis

eine deutliche Auswirkung auf die relativen Signalintensitäten der unterschiedlichen Produkte

in Probe 1. Auf die Quantifizierbarkeit der Massenspektren wird in Kapitel III.4.2.4 näher

eingegangen.

Die Festphasenprobenvorbereitung unter Kühlung mit flüssigem N2 ist jedoch zeitaufwendig.

Es wurde daher nach einer anderen Matrix gesucht, die die Desorption von PAH 57 auch bei

Raumtemperatur unterstützen kann. Andere Matrices als Dithranol wurden daher bei

Raumtemperatur getestet. Abbildung 66 zeigt die erhaltenen Massenspektren mit all-trans-

Retinoesäure, trans-3-(3-Indolyl)-akrylsäure (IAA), α-Cyano-4-hydroxy-zimtsäure (CCA), 9-

Nitroanthracen, 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHB) und 5-Chlorsalicylsäure (CSA) als

Matrices. Bei allen Matrices außer CSA ist die Matrixunterstützung vorhanden. Weder

Fragment- noch Koaleszenzsignale werden aufgenommen, und das intakte Zielmolekül 57

wird detektiert. Das Signal des Quasimolekularions 57 ist bei CCA besonders intensiv, was

auf eine sehr effektive Matrixunterstützung schließen läßt. Die CCA scheint also für die

Matrixunterstützung des PAHs 57 besonders angepaßt zu sein. Die relativen

Signalenintensitäten der unterschiedlichen Produkte hängen stark von der angewendeten

Matrix ab. Auf dieses Problem wird im Kapitel III.4.2.4 näher eingegangen. Im Gegensatz zu

den anderen Matrices zeigt das Massenspektrum mit CSA (s. Abbildung 66f) ein ähnliches

Bild wie das LD-Massenspektrum (s. Abbildung 61, S. 123). Das Massenspektrum ist im

Molekularbereich des erwarteten Produkts 57 mit einer breiten Signalverteilung überlagert,

die durch den regelmäßigen Abstand von 24 Da zwischen den zahlreichenden Signalen

charakterisiert ist. Die auftretenden Fragmentierung und Koaleszenz des Analyten lassen sich

durch die hohe Laserleistung erklären, die für die Desorption von CSA nötig ist

(Klassifizierung der Matrices nach Desorptionsschwelle s. Anhang 2) und offenbar bereits

über der Fragmentierungsschwelle des Analyten liegt.

Hauptteil

132

2600 2800 3000 3200 3400

IAA

2600 2800 3000 3200 3400

CSA

m/z

2600 2800 3000 3200 3400

DHB

2600 2800 3000 3200 3400

9-Nitroanthracen

a)

b)

c)

2600 2800 3000 3200 3400

Matrix=Retinoesäure

d)

e)

f)

relativeLaserleistung

33

30

43

45

40

22

2600 2800 3000 3200 3400

2708.8

CCA

Abbildung 66: Test der Festkörperprobenvorbereitung mit unterschiedlichenMatrices. Massenspektren der Probe 1 nach Mischung bei RT mit folgendenMatrices (molares Verhältnis 1:500): a) all-trans-Retinoesäure; b) α-cyano-4-hydroxy-zimtsäure (CCA); c) trans-3-(3-Indolyl)-Akrylsäure (IAA); d) 9-Nitroanthracen; e) 2,5-Dihydroxybenzoesäure (DHB); f) 5-Chlorsalicylsäure(CSA). Die Massenspektren sind nach steigender Laserleistung geordnet.

Hauptteil

133

Da die angewendete Probenvorbereitung nicht auf Lösungsmittel angewiesen ist, stellt auch

die Löslichkeit der Matrix keine Einschränkung mehr dar, und es können auch ganz andere

organische Verbindungen statt der üblichen Matrices eingesetzt werden. Eine wesentliche

Voraussetzung zum Einsatz als Matrix ist lediglich eine starke Absorption bei der

Wellenlänge des N2-Lasers. Als potentielle Matrices können daher z.B. auch

Laserfarbstoffe122 wie 1,4-Bis(5-phenyloxazol-2-yl)benzol (POPOP), 2,5-Bis-(4-

biphenyl)oxazol (BBO), 4,4‘-Diphenylstilbene (DPS) oder 2-(1-Naphtyl)-5-phenyloxazol (α-

NPO) getestet werden. Wie erwartet können diese Laserfarbstoffe schon bei niedriger

Laserleistung desorbiert werden (Klassifizierung der Matrices s. Anhang 3). Abbildung 67

zeigt die aus einer Mischung der Probe 1 mit diesen Laserfarbstoffen gemessenen

Massenspektren. Wie schon bei den herkömmlichen Matrices festgestellt werden konnte,

ändern sich die relativen Signalintensitäten der Produkte je nach angewendeter Matrix

deutlich. Diese auf Absorption optimierten Matrices zeigen sich dennoch für die

Matrixunterstützung des erwarteten Produkts 57 weniger wirksam als CCA, die bis jetzt das

intensivste Signal der gewünschten Verbindung 57 produzierte.

Hauptteil

134

a)

b)

c)

d)

2600 2800 3000 3200 3400

BBO

2600 2800 3000 3200 3400

Matrix=POPOP

2600 2800 3000 3200 3400

2708.8 DPS

2600 2800 3000 3200 3400

NPO

m/z

Abbildung 67: Massenspektren der Probe 1 gemessen mit Laserfarbstoffen alsMatrix (molares Analyt/Matrix-Mischungsverhältnis 1:500): a) POPOP; b) BBO;c) DPS; d) NPO

Hauptteil

135

Bis jetzt wurde die Matrix lediglich als Mittel für eine milde Desorption des Analyten

betrachtet, während die Ionisation wahrscheinlich durch direkte Photoabsorption des Analyten

erfolgt. Um die PAH-Ionenausbeute beim MALDI-Prozeß zu erhöhen, könnte eine Matrix

eingesetzt werden, die gute Elektronenakzeptor-Eigenschaften aufweist. Es wäre zu erwarten,

daß durch die Anwesenheit einer oxidierenden Matrix die Bildung des Analyt-Radikalkations

begünstigt wird. Auf dem Gebiet der organischen Metalle sind 7,7,8,8-

Tetracyanochinodimethan (TCNQ) und 2,3,5,6-Tetrafluortetracyanochinodimethan

(TCNQF4) als starke Elektronenakzeptoren bekannt. Zusätzlich besitzen beide Verbindungen

bei 337 nm (Wellenlänge des N2-Lasers) eine ausgeprägte UV-Absorption. Diese

Matrixkandidaten wurden mit Probe 1 bei einem molaren Analyt/Matrix-Mischungsverhältnis

1:500 getestet. Abbildung 68 zeigt die gemessenen Massenspektren.

a)

b)

2600 2800 3000 3200 3400

T C N Q F 4

m /z

2600 2800 3000 3200 3400

M a trix=T C N Q

2708.8

Abbildung 68: Massenspektren der Probe 1 gemessen mit einemElektronenakzeptor als Matrix (molares Analyt/Matrix-Mischungsverhältnis1:500): a) TCNQ; b) TCNQF4

Hauptteil

136

Mit TCNQ (Abbildung 68a) wird das beste Signal (hohe Intensität, hohe Auflösung) des

PAHs 57 erhalten. Die Annahme zur Ionisationsunterstützung mittels eines

Elektronenakzeptors bei der Bildung von PAH-Radikalkationen konnte damit teilweise

verifiziert werden. Dies könnte außerdem das intensive Signal von PAH 57 mit CCA als

Matrix erklären, da die Cyano- und Carboxy-Gruppen als elektronenziehende Substituenten

(Formel s. Anhang 2) dem CCA Elektronenakzeptor-Eigenschaften verleihen und so ein durch

Oxidation gebildetes Analyt-Radikalkation stabilisieren könnten. Gegen diese Annahme

spricht aber das mit TCNQF4 aufgenommene Massenspektrum (Abbildung 68b). TCNQF4 ist

ein stärkerer Elektronenakzeptor als TCNQ und sollte daher die PAH-Ionenausbeute noch

weiter erhöhen. In Wirklichkeit fällt aber die Signalintensität des PAHs 57 beim Einsatz von

TCNQF4. Dieser Befund deutet an, daß neben der Elektronenakzeptor-Eigenschaften der

Matrix wohl auch andere Eigenschaften wie z.B. Packungseffekte eine wesentliche Rolle für

die Effektivität der Ionisation und Desorption zu spielen scheinen.

Die Vorbereitung der Probe 1 aus der Festphase mit TCNQ als Matrix, die bis jetzt zum

intensivsten Signal des PAHs 57 führte, wurde weiter untersucht. Zunächst wurde das molare

Analyt/Matrix-Mischungsverhältnis variiert. Der Vergleich zwischen den aus den Mischungen

1:50, 1:500 und 1:5000 (s. Abbildung 69) gemessenen Massenspektren zeigt im Gegensatz

zur Probenvorbereitungen mit Dithranol (s. Abbildung 65, S. 130) wenig Unterschied

hinsichtlich der relativen Signalintensitäten. Nur die gesamte Intensität ändert sich und

erreicht ein Maximum bei der Mischung 1:500.

Hauptteil

137

a)

b)

c)

2600 2800 3000 3200 34000

2000

4000

6000

Probe 1:TCNQ1: 50

2600 2800 3000 3200 34000

2000

4000

6000

2708.8

1:500

2600 2800 3000 3200 34000

2000

4000

6000

1:5000

m/z

Abbildung 69: Massenspektren der Probe 1 mit TCNQ als Matrix undunterschiedlichen molaren Analyt/Matrix-Verhältnissen: a) 1:50; b) 1:500; c)1:5000

Mit dieser Festphasenprobenvorbereitung wird die Analyt/Matrix-Mischung als Pulver auf

dem Target aufgetragen. Dadurch besteht jedoch die Gefahr, die Quelle des

Massenspektrometers zu verunreinigen und damit die Transmission und Massengenauigkeit

zu verschlechtern. Um diese Verschmutzung zu vermeiden, kann die Analyt-Matrix-Mischung

Hauptteil

138

nach dem Zermahlen in der Kugelmühle in einem für alle Mischungskomponenten „nicht-

lösenden“ Lösungsmittel suspendiert und anschließend mit einem Ultraschallfinger fünf

Minuten weiter homogenisiert werden. Eine kleine Menge dieser Suspension wird dann auf

das Target aufgetragen, so daß eine dünne Schicht nach Verdampfen des Lösungsmittels

erhalten wird. Bei diesem Verfahren spielt die Wahl des Lösungsmittels eine entscheidende

Rolle. Aus Suspensionen in Wasser, Toluol oder Cyclohexan, die TCNQ allesamt nicht lösen,

werden ähnliche Massenspektren wie die ausgehend vom „trockenen“ Pulver aufgenommen.

Wird dagegen THF oder Aceton verwendet, in dem sich TCNQ löst, können neben den

Matrixsignalen überhaupt keine Signale der Probe 1 detektiert werden. Offensichtlich werden

beim Verdampfen des Lösungsmittels die unlöslichen Produkte der Probe 1 von den sich

bildenden TCNQ-Kristallen ausgeschlossen, wobei die Entmischung zum Scheitern des

MALDI-Prozesses führt. Bei der Suspension in einem TCNQ nicht lösenden Lösungsmittel

wurde auch versucht, die Zeit der Ultraschallbehandlung von 5 auf 60 Minuten zu erhöhen,

um dadurch die Homogenisierung der Analytpartikel in der Matrix eventuell weiter zu

verbessern. Die Massenspektren zeigten aber keine wesentliche Qualitätssteigerung.

Bei der Anwendung der Festphasenprobenvorbereitung mit TCNQ als Matrix ändern sich die

Massenspektren kaum bei erhöhter Laserleistung. Die Fragmentierung des vollständig

cyclodehydrierten PAHs 57 wurde vermieden, was für den schonenden Charakter des

MALDI-Prozesses spricht. Dies ist von großer Bedeutung, um den Anwendungsbereich der

MALDI-Methode für die Charakterisierung der PAHs richtig einschätzen zu können.

Tatsächlich neigen absorbierende im Gegensatz zu nicht absorbierenden Analyten selbst unter

milden MALDI-Desorptionsbedingungen zur Fragmentierung. Bei der Untersuchung von

löslichen Tetrahydopyren(THP)-Oligomeren mit MALDI konnte gezeigt werden,74 daß

aufgrund einer intensiven Absorption bei der Wellenlänge des verwendeten N2-Lasers der

Desorptions- und Ionisationsprozeß anders als bei einem gewöhnlichen MALDI-Prozeß

abläuft. Statt quasimolekularer Ionen, die durch eine Kationanlagerung gebildet werden,

werden Radikalkationen detektiert. Die niedermolekularen Oligomere konnten mit direkter

Laserdesorption nachgewiesen werden im Gegensatz zu den hochmolekularen Oligomeren,

die die Unterstützung einer Matrix zur Erzeugung molekularer Ionen benötigen. Trotz der

Matrixunterstützung wurden aber neben den intakten Molekülionen auch deren Fragmente

detektiert. Die für die Überführung intakter Moleküle in die Gasphase erforderliche

Matrixunterstützung findet zwar statt, die Ionisation wird aber nach einer direkten

Photoabsorption durch den Analyten erzielt. Die für den matrixunterstützten

Hauptteil

139

Desorptionsprozeß benötigte Laserleistung liegt über der Ionisierungsschwelle und löst neben

der Ionisation des intakten Moleküls ebenso eine Fragmentierung aus. Ein solches Verhalten

könnte bei der MALDI-Untersuchung der PAHs ebenfalls auftreten. Um die Grenzen der

MALDI-Methode zu erweitern, sollte die Matrix eine möglichst niedrige Desorptionsschwelle

besitzen, so daß die zur Desorption nötige Laserleistung generell unter der

Fragmentierungsschwelle der Probe liegt. Glücklicherweise besitzt TCNQ eine sehr niedrige

Desorptionsschwelle, vergleichbar mit der von all-trans-Retinoesäure, die unter den zur Zeit

gängigen Matrices die niedrigste Desorptionsschwelle aufweist (s. Anhang 3). Folglich

besteht mit der neuen Festphasenprobenvorbereitung die Hoffnung, noch weitaus größere

PAHs als 57 (C222H42) mit MALDI analysieren zu können.

III.4.2.3 Qualitative Analyse der Cyclodehydrierungsprodukte von Oligophenylen 56

(C222H150) mit MALDI

Vor dem Einsatz der MALDI-Massenspektrometrie konnten die Cyclodehydrierungsprodukte

von Oligophenylen 56 nicht charakterisiert werden. Nur die Bildung eines schwarzen,

unlöslichen Produkts und die bei der Cyclodehydrierung kleinerer PAHs bereits bewährten

Reaktionsbedingungen konnten auf eine wahrscheinliche Cyclodehydrierung des Vorläufers

56 schließen lassen. Eine genauere Charakterisierung der erhaltenen Produkte war aber

zunächst unmöglich. Mit der gelungenen Entwicklung der MALDI-Probenvorbereitung,

konnten endlich MALDI-Massenspektren dieser unlöslichen Proben aufgenommen werden.

Dank der Festphasenprobenvorbereitung, die nun auch das „schwerlösliche“ TCNQ als

optimierte Matrix für die Charakterisierung von PAHs zuläßt, können die

Cyclodehydrierungsprodukte des Oligophenylens 56 intakt als Molekularionen in die

Gasphase überführt werden. Fragmentierung und Koaleszenz werden dabei vermieden. Es

stellt sich nun die Frage über die Zuordnung der zahlreichen, im Massenbereich des

Zielprodukts 57 aufgenommenen Signale (s. Abbildung 69b). Entsprechen sie

Gemischbestandteilen der Probe oder resultieren sie aus der Bildung von Adduktionen des

Zielprodukts mit Matrix oder mit Fragmenten? Antworten auf diese Fragen liefern die

folgenden Befunde. Bei einem Matrixwechsel (zwischen z.B. CCA und TCNQ) werden die

gleichen Signale detektiert (s. Abbildung 66b, S. 132 bzw. Abbildung 69b, S. 137), so daß die

Bildung von Adduktionen mit der Matrix ausgeschlossen werden können. Die Anwendung

der gleichen Festphasenprobenvorbereitung zur Charakterisierung kleinerer PAHs führt zu

keinen zusätzlichen Signalen. Darüber hinaus wird in diesem Kapitel gezeigt, daß andere

Hauptteil

140

Proben, die durch Cyclodehydrierung von 56 unter verschiedenen Reaktionsbedingungen

hergestellt wurden, auch eine andere Signalverteilung im Nebenproduktbereich zeigen. Aus

den genannten Gründen kann mit großen Sicherheit geschlossen werden, daß alle detektierten

Signale im Massenbereich des Zielprodukts 57 auf Gemischbestandteile der Probe

zurückzuführen sind. Die mit der neuen Probenvorbereitung erhaltenen Massenspektren

zeigen isotopenaufgelöste Peaks, die die qualitative Analyse der Probe sehr erleichtern.

Anhand der gemessenen Molekulargewichte und Isotopenverteilungen sowie unter Kenntnis

der angewendeten Reaktionsbedingungen können die Proben, die mit unterschiedlichen

Bedingungen für die Cyclodehydrierung von 56 hergestellt wurden, charakterisiert werden.

Zunächst wird das Massenspektrum der Probe 1 betrachtet (s. Abbildung 70a). Diese Probe

wurde nach Reaktion von 56 mit AlCl3/CuOTf2 (Raumtemperatur, 21 Tage) in

Schwefelkohlenstoff erhalten (s. Schema 13, S. 128). Das Edukt 56 (Mmono=2815.2 g/mol)

wird nicht detektiert, während das Produkt 57, das durch den Verlust von 108

Wasserstoffatomen gebildet wird, als intensivstes Signal nachgewiesen wird (Mmono=2706.3

g/mol). Zusätzlich werden Nebenprodukte mit höheren Molekulargewichten als das des

Zielmoleküls und sogar teilweise höher als das Molekulargewicht des Edukts detektiert. Aus

dem gesamten Signalmuster können vier Peakserien extrahiert werden. Innerhalb jeder

Verteilung liegen die Signale 34 Massenheiten auseinander. Dieser Massenunterschied von 34

g/mol entspricht der Differenz aus den Massen eines Chloratoms und eines Wasserstoffatoms.

Dies bedeutet, daß jede Peakserie das gleiche Molekülgerüst mit einem unterschiedlichen

Chlorierungsgrad beschreibt. Abbildung 70 zeigt neben dem gemessenen Massenspektrum die

Simulation der vier Serien I, II, III und IV. Die Serie I entspricht der Chlorierungsreihe des

Zielmoleküls 57, wobei die Chlorierung an der Peripherie des Moleküls stattgefunden haben

muß. In der Tat würde eine Chlorierung „im Inneren“ des Oligophenylens 56 eine vollständige

Cyclodehydrierung verhindern und somit zu Endstrukturen mit höheren Massen (mindestens 4

g/mol mehr als eine an der Peripherie chlorierte Struktur) führen. Die Serien II, III und IV

werden Teilcyclisaten mit 10, 16 bzw. 30 mehr Wasserstoffatomen als 57 (d.h. 5, 8 bzw. 15

offenen Bindungen) zugeordnet, die ebenfalls verschiedene Chlorierungsgrade aufweisen.

Hauptteil

141

Messung

Simulierungen

a)

b)

c)

d)

e)

Serie I

Serie II

Serie III

Serie IV

2700 2750 2800 2850 2900

- H,+ Cl

C22

2H72

2700 2750 2800 2850 2900

- H, + Cl

C22

2H52

2700 2750 2800 2850 2900

- H, + Cl

C22

2H58

2700 2750 2800 2850 2900

- H, + Cl

C22

2H42

2700 2750 2800 2850 2900

II

IIV III

IIIIV

IIIIIIII

I

IVIII

II

IIV

IIIII

I

m/z

Abbildung 70: a) MALDI-Massenspektrum der Probe 1 und Simulationen derPeakserien b) I, c) II, d) III und e) IV

Hauptteil

142

Ein wichtiger Punkt für die synthetische Arbeit ist herauszufinden, ob die Chlorierung eine

vollständige Cyclodehydrierung behindert oder ob die Cyclodehydrierung unabhängig von der

Chlorierung abgebrochen wird. Die ersten Signale der Serie II, III und IV, die unchlorierten

Teilcyclisaten zugeordnet werden können, deuten eher darauf hin, daß die Cyclodehydrierung

bei bestimmten Teilcyclisat-Strukturen „hängen bleibt“. Eine weitere Serie V (C222H102 + nCl

- nH), die sich auf eine Struktur mit 60 Wasserstoffatomen mehr als beim Zielmolekül 57

(d.h. mit 30 offenen Bindungen) bezieht, ist auf dem mit TCNQ als Matrix gemessenen

Massenspektrum nicht zu erkennen (s. Abbildung 70). Diese Serie wird aber eindeutig

detektiert, wenn Dithranol (s. Abbildung 65a, S. 130), 9-Nitroanthracen (s. Abbildung 66d, S.

132) oder Laserfarbstoffe (s. Abbildung 67, S. 134) als Matrix verwendet werden. Dieses

Quantifizierungsproblem wird im folgenden Abschnitt betrachtet. Es ist im übrigen nicht

auszuschliessen, daß andere als die bis jetzt erwähnten Nebenprodukte zusätzlich enstanden

sind, deren Charakterisierung durch die Vielzahl der Signale behindert wird.

Anhand der MALDI-Massenspektren wurde der Einfluß der Reaktionszeit auf die

Cyclodehydrierung mit der Kupfertriflat/Aluminiumchlorid-Kombination kontrolliert.

Abbildung 71 zeigt die mit TCNQ gemessenen MALDI-Massenspektren von vier Proben, die

sich auf eine Reaktionszeit von 21 Tagen (Probe 1), 10 Tagen, 1 Tag bzw. 1 Stunde beziehen.

Durch Verminderung der Reaktionszeit von 21 Tagen bis zu einem Tag (Abbildung 71 a, b

und c) wird die relative Intensität der chlorierten Nebenprodukte wesentlich reduziert. Wird

die Reaktionszeit weiter auf nur eine Stunde (Abbildung 71d) herabgesetzt, bleibt die

Cyclodehydrierung unvollständig: Das Edukt kann noch detektiert werden, während das

Zielprodukt neben einer breiten Verteilung von unvollständig cyclodehydrierten

Oligophenylenen kaum nachgewiesen werden kann.

Hauptteil

143

a)

b)

c)

d)

2 7 0 0 2 7 5 0 2 8 0 0 2 8 5 0 2 9 0 0

1 0 T a g e

I I II I II I I

I I II II I II I

I VIII

III

I

I

2 7 0 0 2 7 5 0 2 8 0 0 2 8 5 0 2 9 0 0

1 T a g3 0 ° C

I I I I II I II II I II I I

I

I

2 7 0 0 2 7 5 0 2 8 0 0 2 8 5 0 2 9 0 0

1 h

P r o d u k tC 2 2 2 H 4 2M a v g= 2 7 0 9

E d u k tC 2 2 2 H 1 5 0M a v g= 2 8 1 8

2 7 0 0 2 7 5 0 2 8 0 0 2 8 5 0 2 9 0 0

A lCl 3 / C u O T f 2

2 1 T a g e

II

II V III

IIII V

IIIIIIII

I

I VIII

II

II V

IIIII

I

m /z

Abbildung 71: Einfluß der Reaktionszeit auf die Reaktion von 56 mitAlCl3/Kupfertriflat. MALDI-TOF-Massenspektren nach : a) 21 Tagen (Probe 1);b) 10 Tagen ; c) 1 Tag, 30°C ; d) 1 Stunde

Hauptteil

144

Mit Hilfe der MALDI-Massenspektrometrie konnten auch unterschiedliche Oxidationsmittel-

Lewissäure Systeme verglichen werden. Abbildung 72 zeigt die Massenspektren der mit

FeCl3, AlCl3/CuCl2, und MoCl5 durchgeführten Cyclodehydrierungen. Mit FeCl3 kann außer

einer engen Verteilung von unvollständig cyclodehydrierten Oligophenylenen das Zielprodukt

57 nicht nachgewiesen werden. Dagegen wird es mit AlCl3/CuCl2, und MoCl5 gebildet jedoch

mit einem hohen Anteil an chlorierten Nebenprodukten. Bemerkenswert ist bei der

Verwendung von MoCl5 die relativ hohe Intensivität der Serie I, die die chlorierten Produkte

des vollständig cyclodehydrierten PAHs 57 darstellt.

Um chlorierte Nebenprodukte zu dehalogenieren, wurden in Analogie zur Synthese kleinerer

PAHs123 das Reaktionsprodukt mit einer tert.-Butyllithium-Lösung behandelt.111 Nach einer

Cyclodehydrierung von 56 mit AlCl3/CuOTf2 (40°C, 1 Tag) wurde das Reaktionsgemisch

über 24 Stunden bei 50°C mit tert.-Butyllithium-Lösung reagieren lassen und anschließend

mit Methanol protoniert. Das Resultat eines solchen Reinigungsversuchs ist in Abbildung 73

dargestellt. Zum einen wird die Intensität der unchlorierten Nebenprodukte (C222H52, C222H58,

C222H72) im Vergleich zum Zielprodukt 57 (C222H42) erhöht, was auf eine Entfernung der

Chlorsubstituenten hindeutet. Jedoch weisen die Signale zwischen 2760 und 2800 g/mol, die

aufgrund des niedrigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses schlecht aufgelöst sind, auf eine

Substitution dieser PAHs durch tert.-Butyl-Gruppen hin.

Hauptteil

145

a)

b)

c)

2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200

IIII

IIII

IIIIIIIIIIII

IIIIII

IIIIIIIIIIIIIII

III

IIIIII

III

III

IIIII

AlCl3/CuCl210 Tage

II

III

I

2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200

MoCl5CH2Cl2/H2O

3 Tage

II

IIII

IIIIII

IIII

II

II

II

III

IIIIII

IIIIII

III

III

IIIIII

III III

II

III

I

I

I

I

I

2700 2750 2800 2850 2900 2950 3000 3050 3100 3150 3200

FeCl32 Tage

EduktC222H150M

avg=2818

ProduktC222H42M

avg=2709

m/z

Abbildung 72: Wirkung des Oxidationsmittel/Lewissäure-Systems auf dieCyclodehydrierung von 56. a) FeCl3, 2 Tage ; b) AlCl3/CuCl2, 10 Tage; c) MoCl5,3 Tage

Hauptteil

146

2700 2750 2800 2850 2900

1) AlCl3/CuOTf2

40°C, 1 Tag2) tBuLi, 2 Tage

m/z

2700 2720 2740 2760 2780 2800

C22

2H72

-H

+C

4H9

?

C22

2H58

-H

+C

4H9

?

C22

2H52

-H

+C

4H9

?

C22

2H42

C22

2H42

-H

+C

4H9

?

C22

2H72

C22

2H58

C22

2H52

m/z

Abbildung 73: Beseitigung der Chlorierung durch Behandlung mit tBuLi.

Hauptteil

147

All diese Beispiele zeigen die Aussagekraft, die bei der qualitativen Charakterisierung

unlöslicher PAH-Proben mit MALDI erzielt werden kann. Sicherlich können die

Massenspektren nicht als eindeutiger Strukturbeweis angesehen werden, jedoch konnten

anhand dieser Untersuchungen die Summenformeln des Produkts 57 sowie die von

Nebenprodukten bestimmt werden. Im Falle des Zielmoleküls besteht kein Zweifel an seiner

Identität, da keine andere Struktur, die sich z.B. durch Umlagerung gebildet haben könnte, mit

der exakten C222H42-Summenformel in Einklang bringen läßt. In Hinsicht auf die detektierten

Nebenprodukte steht der Chlorierungsgrad sowie die Summenformel der Teilcyclisate fest,

dagegen wäre eine genaue Strukturzuweisung aufgrund der Vielzahl an Möglichkeiten bisher

nur wenig sinnvoll. Anhand der Überprüfung der Proben durch MALDI-Massenspektrometrie

können ferner die Reaktionsbedingungen für die Synthese gesteuert werden. Dennoch wäre

eine zusätzliche quantitative Aussage wünschenswert, um den Reinheitsgrad des Produkts 57

bestimmen zu können.

III.4.2.4 Semi-quantitative Analyse des Cyclodehydrierungsproduktes von

Oligophenylen 56 mit MALDI-Massenspektrometrie

Die qualitative Zusammensetzung der Proben, die nach Cyclodehydrierung des Vorläufers 56

erhalten wurden, kann aktuell nur mit der MALDI-Massenspektrometrie bestimmt werden.

Darüber hinaus wäre eine Schätzung des Reinheitsgrades dieser Proben wünschenswert.

Sollten die Massenspektren die tatsächlichen Verhältnisse widerspiegeln, würden die relativen

Intensitäten bzw. die Signalflächen dem Mischungsverhältnis der verschiedenen Moleküle in

der Probe entsprechen. Dies ist aber nur gültig, wenn die unterschiedlichen Moleküle einer

Mischung die gleichen Desorptions- und Ionisierungswahrscheinlichkeiten besitzen. Diese

Bedingung ist bei der MALDI-Methode (sowie bei allen massenspektrometrischen Methoden)

nur selten erfüllt, so daß Vorsicht bei der Quantifizierung geboten ist. Diesbezüglich werden

im nächsten Kapitel Beispiele anhand anderer Analyttypen aufgezeigt, die das allgemeine

Quantifizierungsproblem weiter behandeln, während dieser Abschnitt sich ausschließlich der

quantitativen Charakterisierung des PAHs 57 widmet.

Mit der Annahme, daß die relativen Intensitäten der Signale im Massenspektrum dem

wirklichen Mischungsverhältnis der Ziel- und Nebenprodukte entsprechen, erreicht in der

„besten“ Probe, d.h. in der Probe mit dem geringsten Anteil an Nebenproduktsignalen

(AlCl3/CuOTf2, 30°C, 1 Tag), der Anteil an Zielprodukt 57 einen Wert von 37%

Hauptteil

148

(Massenspektrum s. Abbildung 71, S. 143). Diese Zahl ist allerdings nur zuverlässig, wenn

Ziel- und Nebenprodukte die gleichen Desorptions- und Ionisierungswahrscheinlichkeiten

besitzen. Die einzige Überprüfungsmöglichkeit wäre, aus getrennten Ziel- und

Nebenprodukten eine künstliche Mischung mit abgewogenen Anteilen vorzubereiten und

diese vorgegebenen Mischungsverhältnisse mit den relativen Intensitäten im MALDI-

Massenspektrum zu vergleichen. Leider können die unlöslichen Nebenprodukte von dem

ebenso unlöslichen Zielprodukte nicht abgetrennt werden, so daß der Reinheitsgrad des PAHs

57 in der „besten“ Probe nicht direkt bestimmt werden kann. Hinweise über die Reinheit von

PAH 57 können jedoch mit den folgenden Mischungsversuchen gegeben werden.

Zunächst wird eine Mischung aus Probe 2 (die „beste“ Probe, erzeugt mit AlCl3/CuOTf2,

30°C, 1 Tag) und dem Edukt 56 betrachtet. Das MALDI-Massenspektrum des reinen Edukts

(s. Abbildung 74a) zeigt zudem, daß der Analyt unterschiedlich ionisiert werden kann.

Sowohl das Radikalkation als auch die Natrium- und Kalium-Adduktionen werden detektiert,

wobei das Radikalkation das intensivste Signal aufweist. Nach Mischen des Edukts 56 mit der

Probe 2 in äquimolaren Mengen und Vermischung mit TCNQ in der Kugelmühle wird das in

Abbildung 74c dargestellte MALDI-Massenspektrum gemessen. Die Integration der Signale

zeigt eine Überbetonung des Edukts 56 durch einen Faktor 145 im Vergleich mit dem PAH

57.

Hauptteil

149

2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900

[M+K]+

[M+Na]+

M.+

m/z

2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900

M.+

m/z

2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900

Peakfläche x 145 !!

Edukt

Produkt

m/z

a)

b)

c)

Edukt

Produkt(AlCl3/CuOTf2, 30°C, 1 Tag

=Probe 2)

MischungProdukt + Edukt

1 : 1

56C222H150

Mavg=2817.6

57C222H42

Mavg=2708.8

Abbildung 74: MALDI-Massenspektren von: a) dem Edukt 56; b) der Probe 2; c)der Mischung Edukt/Probe 2 (1:1)

Hauptteil

150

Als weiterer Versuch wird die Probe 2 mit Nebenprodukten gemischt. Im vorherigen Kapitel

wurde bereits gezeigt, daß die mit FeCl3 durchgeführte Cyclodehydrierung ausschließlich

Nebenprodukte d.h. Teilcyclisate bildet. Das Massenspektrum ist noch einmal in Abbildung

75a dargestellt. Die Massenverteilung der Teilcyclisate ist eng (2750<m/z<2800) und

entspricht den Nebenprodukten, die zwischen ca. 42 bis 92 Wasserstoffatomen mehr (d.h. mit

ca. 21 bzw. 46 offenen Bindungen) als das Zielprodukt 57 besitzen. Die schwachen Signale

bei m/z 2700 stammen offensichtlich von Fragmenten der Teilcyclisate und könnten durch

Verlust eines Phenylrings entstanden sein. Nach Mischen dieser Probe mit der gleichen Masse

an Probe 2 und Aufbereitung mit TCNQ in der Kugelmühle wird das in Abbildung 75c

dargestellte MALDI-Massenspektrum gemessen. Die Integration der Signale zeigt eine

Überbetonung der Nebenprodukte um einen Faktor 285 im Vergleich zu PAH 57. Wird nun

die Intensität der Nebenprodukte in der Probe 2 durch diesen Faktor 285 geteilt, so läßt sich

ein Reinheitsgrad von 99% für PAH 57 berechnen. Diese Zahl stellt nur einen Richtwert dar,

da diese künstliche Mischung keine exakte Simulation der synthetisierten Probe darstellt. In

der Tat wird bei diesem Mischungsversuch PAH 57 mit Teilcyclisaten verglichen, die über 40

Wasserstoffatome mehr besitzen. Dagegen ist die Cyclodehydrierung bei der mit

AlCl3/CuOTf2 erhaltenen Proben weiter fortgeschritten, da die Nebenprodukte nur zwischen

10 und 30 mehr Wasserstoffatome als PAH 57 beinhalten, d.h. nur maximal 15 offene

Bindungen haben. Leider kommt dieselbe Nebenproduktverteilung wie in Probe 2 nicht

isoliert von PAH 57 vor, so daß die durchgeführte Quantifizierung nur einen Näherungswert

liefern kann. Außerdem konnte aufgrund der geringen verfügbaren Substanzmenge keine

Mischungsreihe, sondern nur eine Mischung vorbereitet werden. Eine Mischungsreihe wäre

aber zu empfehlen, da der „Response-Factor“ (d.h. das Intensitätsverhältnis zwischen den

Ziel- und Nebenproduktsignal) nicht unbedingt proportional zum Mischungsverhältnis

ist.124,125 Aus den Mischungsversuchen kann dennoch abgeleitet werden, daß Nebenprodukte

(Teilcyclisate) im Vergleich mit dem PAH 57 stark überbetont werden, so daß die Probe 2

wahrscheinlich einen wesentlich höheren Reinheitsgrad aufweist, als dies den reinen

Signalintensitäten im Massenspektrum entsprechen würde.

Hauptteil

151

a)

b)

c)

Nebenprodukte(FeCl3, 2 Tage)

Produkt(AlCl3/CuOTf2, 30°C, 1 Tag

=Probe 2)

MischungProdukt + Nebenprodukte

1 : 1

2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900

M.+

m/z

2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900

Peakflächex 285 !!

Teilcyclisate

Produkt

m/z

2600 2650 2700 2750 2800 2850 2900

Teilcyclisate

Fragmente

m/z

Abbildung 75: MALDI-Massenspektren von: a) Nebenprodukte erhalten durchCyclodehydrierung von 56 mit FeCl3; b) der Probe 2; c) der MischungNebenprodukte / Probe 2 (1:1)

Hauptteil

152

Es stellt sich nun die Frage, warum die Teilcyclisate im Vergleich mit dem scheibenartigen

Molekülen von PAH 57 beim MALDI-Prozeß dermaßen überbetont werden. Interessante

Hinweise hierfür können die LD-Massenspektren von Edukt 56 und dessen Teilcyclisaten

liefern. Durch direkten Beschuß des Eduktes mit dem N2-Laser kann das Quasimolekularion

des Analyten 56 noch intakt in die Gasphase überführt werden (s. Abbildung 76).

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

2000

4000

6000

[M-Ag]+

[M-Cu]+

M.+

a.i.

m/z

56C222H150

Mavg=2817.6

Abbildung 76: LD-Massenspektrum des Edukts 56

Zusätzlich können die Kupfer- und Silber-Adduktionen neben dem Radikalkationsignal

detektiert werden. Die Bildung des Silber-Adduktions (sowie wahrscheinlich die des Kupfer-

Adduktions) wird wahrscheinlich durch die Beweglichkeit des Edukts 56 ermöglicht, so daß

das Silberkation zwischen zwei Aromaten in einer Sandwichstruktur komplexiert werden

kann. Bei diesem LD-Massenspektrum kann eine intensive Fragmentierung nicht vermieden

werden. Aufgrund des relativ hohen Molekulargewichts des Edukts 56 (M=2817 g/mol) war

diese Beobachtung vorhersehbar. Werden nun die Teilcyclisate, die nach Cyclodehydrierung

von 56 mit FeCl3 erhalten wurden, mit LD gemessen, bleibt die Fragmentierung auffallend

Hauptteil

153

gering (s. Abbildung 77a). Dies kann durch eine höhere Stabilität der Teilcyclisate im

Vergleich zum Vorläufer 56 erklärt werden. Der Vergleich zwischen LD- und MALDI-

Massenspektren (s. Abbildung 77b bzw. c) zeigt für den Massenbereich der intakten

Teilcyclisate (2750<m/z<2800) eine sehr große Übereinstimmung. Bedenkt man nun, daß das

vollständig cyclisierte Produkt 57 mit LD nicht direkt charakterisiert werden kann, wäre es

nun interessant zu bestimmen, ab welchem Cyclodehydrierungsgrad ein Teilcyclisat mit LD

nicht mehr analysierbar ist. Dafür wurde eine Probe mit LD gemessen, die aus einer

Cyclodehydrierung von 56 mit AlCl3/CuOTf2 schon nach einer Stunde entnommen wurde (s.

Abbildung 78a und b). Während MALDI (s. Abbildung 78c) eine breite Massenverteilung von

Teilcyclisaten abbildet, die sich vom Molekulargewicht des Vorläufers 56 bis zu dem des

vollständig cyclisierten Zielprodukts 57 erstreckt (2709<m/z<2818), wird mit LD (s.

Abbildung 78b) eine deutlich engere Signalverteilung detektiert (2750<m/z<2810).

Hauptteil

154

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

400

600

800

1000

1200

1400

a.i.

m/z

a)

b)

c)

Nebenprodukte(FeCl3, 2 Tage)

LD

LD

MALDI

2680 2700 2720 2740 2760 2780 2800 2820 28400

2000

4000

6000

2788

2779

2772

2700

a.i.

m/z

2680 2700 2720 2740 2760 2780 2800 2820 2840

400

600

800

100027

8627

78

2700

2772

a.i.

m/z

Abbildung 77: a) LD-Massenspektrum der Nebenprodukte erhalten nachCyclodehydrierung von 56 mit FeCl3 b) Ausschnitt des Molekularionbereichs vonAbbildung 77a; c) MALDI-Massenspektrum der gleichen Probe

Hauptteil

155

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

400

600

800

1000

1200

1400

a.i.

m/z

a)

b)

c)

Nebenprodukte(AlCl3, CuOTf2, 1h)

LD

LD

MALDI

2680 2700 2720 2740 2760 2780 2800 2820 2840

500

1000

1500

m/z

2774

a.i.ProduktC

222H

42

Mavg

=2709

EduktC

222H

150

Mavg

=2818

2680 2700 2720 2740 2760 2780 2800 2820 2840

400

600

800

1000

1200

1400

2794

a.i.

m/z

Abbildung 78: a) LD-Massenspektrum der Nebenprodukte erhalten durchAbbruch der mit AlCl3/CuOTf2 durchgeführten Cyclodehydrierung von 56 nach 1hund b) Ausschnitt des Molekularionbereichs von Abbildung 78a; c) MALDI-Massenspektrum der gleichen Proben

Hauptteil

156

Nur Teilcyclisate mit einem Molekulargewicht zwischen ca. 2750 und 2810 g/mol können

also mit LD intakt desorbiert werden. Als Erklärung dafür könnten einerseits die

Kohäsionsenergie in der Festphase und andererseits die Fragmentierungsschwelle als

limitierende Faktoren angesehen werden. Bei einer fortgeschrittenen Cyclisierung ist das

Stapeln der Moleküle (wenn auch nur partiell) immer wahrscheinlicher und dadurch die

Kohäsionsenergie in der Festphase immer höher, so daß die Desorption mit LD unmöglich

wird. Ein extremes Beispiel stellt das Zielprodukt 57 dar, das wahrscheinlich als Kristallit

vorliegt und mit LD nicht mehr analysierbar ist. Bei wenig cyclisierten Produkten ist dagegen,

wie dies beim Edukt 56 auch der Fall ist, die Tendenz zur Fragmentierung sehr hoch. Daher

ist die Desorption des intakten Moleküls nur eingeschränkt bzw. gar nicht möglich.

Dementsprechend sind nur Teilcyclisate, die in der Festphase noch nicht zu fest gebunden

aber schon gegenüber einer Fragmentierung widerstandsfähig sind, in der Lage, mit LD intakt

zu desorbieren. Diese LD-Massenspektren könnten also helfen, die Überbetonung der

Teilcyclisate gegenüber dem Produkt 57 bei der MALDI-Messung zu verstehen. Nach

Mischen der Probe mit TCNQ sind die Moleküle des PAHs 57 wahrscheinlich noch in einer

Kristallstruktur gebunden, selbst wenn die Größe der Aggregate durch den Mahlprozeß

zurückgegangen ist. Dadurch ist die Matrixunterstützung zwar möglich, aber weniger effizient

als bei Molekülen, die ungestapelt d.h. in der Matrix homogener verteilt sind, wie es bei den

Teilcyclisaten wahrscheinlich der Fall ist.

Das Hauptproblem für die Quantifizierbarkeit der MALDI-Massenspektren ist offensichtlich

auf die unterschiedlichen Desorptionswahrscheinlichkeiten der Produkte zurückzuführen.

Jedoch soll im folgenden der Frage nachgegangen werden, inwiefern die

Ionisierungswahrscheinlichkeit die Quantifizierung ebenfalls verfälschen kann. Die PAHs

werden durch Photoabsorption ionisiert. Damit der Analyt ionisiert werden kann, muß die

Energie der absorbierten Photonen das Ionisierungspotential (IP) überschreiten. Das

Ionisierungspotential von kleinen PAHs (z.B. Pyren, Benzo[ghi]perylen, Coronen) beträgt ca.

7 eV,126,127 so daß mit dem N2-Laser (337 nm d.h. 3,68 eV/Photon) mindestens zwei Photonen

absorbiert werden müssen, um das Analytmolekül zu ionisieren.128,129

Hauptteil

157

Pyren Benzo[ghi]perylen Coronen

Bei ausgedehnten PAHs wie 57 oder dessen Teilcyclisate sollten ebenfalls die Absorption von

mindestens zwei Photonen vorausgesetzt werden. Wenn die Wellenlänge des Lasers einem

„real intermediate electronic state“ entspricht, wird der „Querschnitt“ zur Ionisation stark

erhöht. Es wird dann von „resonance-enhanced multiphoton ionization“ (REMPI) oder von

„resonant two-photon ionization“ (R2PI) -im besonderen Fall einer zwei-Photon-Ionisation-

gesprochen.130 Beim R2PI-Prozeß bringt das erste Photon das Analytmolekül vom

Grundzustand zu einem „excited electronic state“(S0→S1), und das zweite Photon ionisiert

das Molekül (s. Abbildung 79a). Wenn die Wellenlänge des Lasers dagegen keinem „real

intermediate electronic state“ (s. Abbildung 79b) entspricht, sinkt die

Ionisationswahrscheinlichkeit.

So

S1

Ionisations-kontinuum

(a) (b)

Abbildung 79: „Energy-level diagram“ zeigen Multiphoton Ionisierung (MPI): a)„resonant two-photon ionization“ (R2PI); b) nonresonant MPI

Hauptteil

158

Für die verschiedenen Produkte der Cyclodehydrierung von 56 werden unterschiedliche UV-

Spektren erwartet. Im allgemeinen ist eine batochrome Verschiebung des UV-Spektrums mit

Erhöhung des Cyclodehydrierungsgrades zu erwarten. Bei unserer MALDI-Messung hängt die

Ionisierungswahrscheinlichkeit mit der Absorption bei 337 nm zusammen. Wie stark sich die

Ionisierungswahrscheinlichkeiten zwischen verschiedenen Produkten unterscheiden, hängt

stark vom Zeitpunkt der Ionisierung ab. Die Ionisierung kann im Prinzip vor oder erst nach

der Desorption stattfinden. In der Festphase weisen die Teilcyclisate sowie PAH 57 breite

Absorptionsbanden auf, so daß sich die Ionisierungswahrscheinlichkeiten der

unterschiedlichen Produkte bei 337 nm nicht drastisch unterscheiden sollten. In der Gasphase

bei Raumtemperatur besteht das UV-Spektrum aromatischer Kohlenwasserstoffe ebenfalls aus

einem Absorptionskontinuum, das auf eine hohe Anzahl an „populated vibrational and

rotational states“ zurückzuführen ist. In diesem Fall wäre auch keine drastische Änderung der

Ionisierungswahrscheinlichkeiten in Abhängigkeit von der Struktur der Teilcyclisate oder des

PAH 57 zu erwarten. Einige Forschungsarbeiten deuten aber darauf hin, daß die

Analytmoleküle bei der Matrix-unterstützten Laserdesorption einer deutlichen Kühlung

unterliegen.131,132,133 Eine sehr effiziente Methode zur Kühlung von Gasmolekülen ist die

„supersonic jet expansion“,134,135 mit der sicherlich viel niedrigere Temperaturen (ca. 10K) als

mit dem MALDI-Prozeß erreicht werden können. Es lohnt sich an dieser Stelle, einige

Experimente kurz zu erwähnen, die wichtige Informationen über die

Ionisierungswahrscheinlichkeit kalter Gasmoleküle liefern. Mit einer „supersonic jet

expansion“ werden Gasmoleküle soweit gekühlt, daß nur niedrige „rotational and vibrational

energy levels“ im Grundzustand der Moleküle besetzt werden.136,137 Folglich wird ein UV-

Spektrum, das bei Raumtemperatur breite Banden zeigt, in ein Spektrum mit scharfer,

diskreter Struktur umgewandelt. Werden nun solche extrem gekühlten Gase mit einem Laser

variierender Wellenlänge ionisiert, werden sehr hochaufgelöste Ionisierungsspektren

erhalten.138,139,140 Diese feine Struktur ermöglicht eine sogenannte „optische Selektivität“.

Dieser Begriff wird anhand zweier Beispiele erklärt: 1) die isotopenselektive Ionisierung von

Benzol141,142 und 2) die selektive Ionisierung eines Gemisches von Indolderivaten.143 In

Abbildung 80 ist der mit „resonant two-photon ionization“ (R2PI) erzeugte Ionenstrom als

Funktion der Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts für zwei Isotope des Benzols

dargestellt. Der obere Graph zeigt das Ionisierungsspektrum des „leichten“ Isotopes 12C6H6

während der untere Graph das Ionisierungsspektrum des „schweren“ Isotops 13C12C5H6

abbildet.

Hauptteil

159

Abbildung 80: Oberer Graph: Massenselektierter Ionenstrom von Ionen mitm/z=78 (12C6H6); Unterer Graph: Massenselektierter Ionenstrom von Ionen mitm/z= 79 (13C12C5H6)

Eine Blau-Verschiebung (∆ν=8.76 cm-1 d.h. ∆λ=-0,055 nm) des Ionisierungsspektrums vom

schweren zum leichten Isotop ist eindeutig meßbar. Folglich führt das Einstellen der

Laserwellenlänge zur blauen Seite der Ionisierungsbande von 12C6H6 zu einer erhöhten

Ionisierungseffizienz des schweren Isotops 13C12C5H6. Abbildung 81 zeigt die

Massenspektren des natürlichen Isotopengemisches von Benzol, die für unterschiedliche

Laserwellenlänge erhalten wurden. Wenn der Laser auf der „hot“ Ionisierungsbande von12C6H6 eingestellt ist, wird dieses Isotop im Vergleich zur natürlichen „Häufigkeit“ stark

überbetont. Der Anreicherungsfaktor (A78/79) des „leichten“ Benzolisotops (m/z=78) im

Vergleich zur natürlichen Häufigkeit des „schweren“ Isotops (m/z=79) erreicht einen Wert

von 2. Durch eine stufenweise Einstellung der Laserwellenlänge hin zu kürzeren

Wellenlängen wird dagegen eine effizientere Ionisierung und damit eine Anreicherung der

schweren Benzolisotope im Massenspektrum erzielt (z.B. A79/78=35 im zweiten

Hauptteil

160

Massenspektrum). Die reelle Isotopenzusammensetzung des Benzols ist also in diesen

Massenspektren nicht mehr zu erkennen.

a)

b)

c)

d)

Abbildung 81: Massenspektren von Benzol mit natürlicher Isotopenhäufigkeit (s.„inset“) nach „resonance-enhanced two-photon ionization“ (R2PI) beiverschiedenen Laserwellenlängen: a) 37481,6 cm-1 (266.79 nm); b) 37490,36 cm-1

(266.74 nm); c) 37497,5 cm-1 (266.68 nm); d) 37505,0 cm-1 (266.63 nm)

Die optische Selektivität des Ionisierungsprozesses kann auch anhand einer Mischung zweier

Indolderivate illustriert werden.143 Abbildung 82a und Abbildung 82b zeigen die „resonant

two-photon ionization“ (R2PI) Spektren von Tryptamin (m/z 160) und Tryptophol (m/z 161).

Hauptteil

161

a)

b)

Abbildung 82: Ausschnitt aus dem mit „resonance-enhanced two-photonionization process“ (R2PI) erhaltenen Ionisierungsspektrums von: a) Tryptamin;b) Tryptophol.

Bei einer 1:1 Mischung dieser zwei Indolderivate und Messen eines Massenspektrums dieses

Gemisches bei einer bestimmten Laserwellenlänge kann die Zusammensetzung im

Massenspektrum völlig verfälscht wiedergegeben werden (s. Abbildung 83). Wenn der Laser

auf 286,3 nm (s. Abbildung 83a) eingestellt ist, wird der Tryptaminpeak im Massenspektrum

überbetont, da die Wellenlänge in Resonanz mit der starken Tryptaminbande ist. Die

Verschiebung der Laserwellenlänge auf 285,27 nm (Abbildung 83b) führt zu zwei Peaks von

ungefähr gleicher Intensität im Massenspektrum, was durch die gleich intensiven

Ionisierungsbanden von Tryptamin und Tryptophol zurückzuführen ist.

Hauptteil

162

Abbildung 83: R2PI-Massenspektren einer 1:1 Mischung von Tryptamin(m/z=160) und Tryptophol (m/z=161) erhalten bei drei leicht verschiedenenLaserwellenlängen: a) 286,30 nm; b) 285,27 nm; c) 285,59 nm.

Wird schließlich der Laser auf 285,59 nm (Abbildung 83c) eingestellt, kann im

Massenspektrum ein überbetontes Signal für Tryptophol detektiert werden, da dieses

Indolderivat eine starke Ionisierungsbande bei 285,59 nm besitzt. Diese hohe Selektivität bei

der Ionisierung von gekühlten Analytgemischen in der Gasphase zeigt, wie stark sich der

Unterschied in der Ionisierungswahrscheinlichkeit auswirken kann. Dieser Unterschied in der

Ionisierungseffizienz hängt jedoch stark vom Kühlungsgrad der zu ionisierenden

Analytmoleküle ab. Je kälter ein Gasmolekül ist, desto feiner wird die Struktur seines

Absorptions- bzw. Ionisierungsspektrums und um so besser können die Produkte eines

Gemisches differenziert werden. Beim MALDI-Prozeß ist die Kühlung der Gasmoleküle

sicherlich nicht so effizient wie bei einer „supersonic jet expansion“, jedoch könnte die

Ionisierungswahrscheinlichkeit auch ein wichtiger Parameter bei der Quantifizierung der

Produkte der Cyclodehydrierung von 57 sein, vorausgesetzt, daß die Ionisierung in der

Gasphase stattfindet.

Diese ganze Betrachtung zeigt, wie schwierig es ist, den Reinheitsgrad einer Probe anhand

seines MALDI-Massenspektrums zu ermitteln. Die einzige Möglichkeit, um eine quantitative

Aussage über die Zusammensetzung von Produktgemischen anhand der Massenspektren

Hauptteil

163

treffen zu können, besteht darin, nach Isolation jedes Produkts vom Reaktionsgemisch eine

künstliche Mischung mit abgewogenen Anteilen dieser isolierten Substanzen vorzubereiten.

Anhand einer Mischungsreihe kann der „Response“-Faktor als Funktion des

Mischungsverhältnisses ermittelt und daraus die Zusammensetzung im Produktgemisch

bestimmt werden.

Bevor dieses Thema abgeschlossen werden kann, soll noch auf ein weiteres

Quantifizierungsproblem eingegangen werden. Bei den unterschiedlichen

Probenvorbereitungen für Probe 1 wurde eine starke Schwankung der Relativintensitäten der

Nebenprodukte im Vergleich zum Hauptprodukt festgestellt. Dies ist besonders frappierend

beim Wechsel zu anderen Matrix-Substanzen. Mit dem Einsatz von 9-NA oder

Laserfarbstoffen als Matrix wird z.B. die Serie V, die der Chlorierungsreihe von

Teilcyclisaten mit 30 offenen Bindungen zugeordnet wurde, als Hauptprodukt nachgewiesen

(s. Abbildung 66d, S. 132 bzw. Abbildung 67, S. 134). Dagegen verschwindet diese Serie

zugunsten der anderen Serien I, II, III und IV (vollständig cyclodehydrierte Struktur bzw.

Teilcyclisate mit 5, 8 bzw. 15 offenen Bindungen) bei anderen Matrices als CCA oder TCNQ

(s. Abbildung 66b, S. 132 bzw. Abbildung 68a, S. 135). Offensichtlich spielt die Struktur der

angewendeten Matrix eine wichtige Rolle bei der Bevorzugung der zu desorbierenden

Moleküle. Darüber hinaus kann das Analyt-zu-Matrix-Mischungsverhältnis ebenfalls die

Relativintensitäten der Nebenprodukte im Vergleich zum Hauptprodukt beeinflußen. Bei

Verwendung von Dithranol als Matrix (s. Abbildung 65, S. 130) ändert sich das Signalmuster

je nach Analyt-zu-Matrix-Mischungsverhältnis drastisch. Die Signalserie V (Teilcyclisate mit

30 offenen Bindungen) kann beim Mischungsverhältnis 1:50 eindeutig detektiert werden.

Beim Erhöhen des Mischungsverhältnisses auf 1:500 verliert diese Serie an Intensität

gegenüber den Serien I, II, III und IV (vollständig cyclodehydrierte Struktur bzw. Teilcyclisate

mit 5, 8 bzw. 15 offenen Bindungen) und verschwindet vollständig beim Mischungsverhältnis

1:5000. Aufgrund der vorherigen Betrachtungen anhand der LD-Massenspektren von

Teilcyclisaten (s. Abbildung 78, S. 155) kann diese Abhängigkeit von der Probenvorbereitung

folgenderweise erklärt werden. Bei einer Verdünnung von nur 1:50 in Dithranol wird die

Matrixunterstützung wahrscheinlich nicht ausreichend erzielt oder lediglich für Teilcyclisate

der Serie V, die mit 30 offenen Bindungen ohnehin leicht desorbierbar sind. Bei einer

weiteren Verdünnung und somit einer besseren Homogenisierung der Probe in Dithranol wird

die Matrixunterstützung effizienter, so daß die anderen Serien detektiert werden. Beim

Mischungsverhältnis 1:5000 ist die Serie V schließlich verschwunden, wahrscheinlich weil ihr

Hauptteil

164

Anteil gegenüber dem der anderen Produkte der Serien I, II, III und IV in der Probe

vernachlässigbar ist.

Die Quantifizierung ist sicherlich ein schwieriges Thema bei der Interpretation der MALDI-

Massenspektren von PAHs. Dennoch konnte dank der neuen Probenvorbereitung die

qualitative Zusammensetzung der PAH-Proben detailliert aufgeklärt werden. Dies ist von

besonderem Interesse, da diese Proben ohne die entwickelte lösungsmittelfreie

Probenvorbereitung für MALDI vollkommen uncharakterisiert wären. Mit Hilfe des MALDI-

Massenspektrums konnte die Bildung des PAHs 57 eindeutig nachgewiesen werden. Anhand

der mit diesen PAH-Proben gewonnenen Erkenntnisse konnten darüber hinaus die

unerwarteten zusätzlichen Signale zugeordnet werden. Sie resultieren nicht aus einem

massenspektrometrischen Artefakt (Adduktion aus Produkt und Matrix bzw. Fragment),

sondern entsprechen Gemischbestandteilen der PAH-Probe. Mit den Ergebnissen der MALDI-

Analytik konnten Informationen über die Strukturen dieser Nebenprodukte gewonnen sowie

Reaktionsanalytik betrieben werden. Die bereits betrachtete Cyclodehydrierung von

Oligophenylen 53 führt ebenfalls zu einem Produktgemisch. Das LD-Massenspektrum der

erhaltenen Probe war in Abbildung 59b, S. 120 dargestellt und zeigte im Vergleich mit

Abbildung 59a die von Kimihiro Yoshimura erzielte Verbesserung der Probenvorbereitung für

LD-Messungen. In den gezeigten Beispielen lag der Schwerpunkt in der Verbesserung der

Meßbedingungen während die Interpretation der qualitativen Zusammensetzung dieser Probe

Gegenstand des folgenden Kapitels ist.

III.4.2.5 Interpretation des LD-Massenspektrums von PAH 54

Das nach Optimierung der LD-Probenvorbereitung aufgenommene LD-Massenspektrum des

Cyclodehydrierungsproduktes von 53 ist in Abbildung 84a noch einmal dargestellt. Neben der

Isotopenverteilung des erwarteten PAH 54 (Simulation s. Abbildung 84b) werden zusätzliche

Signale bei etwas höheren Masseneinheiten detektiert. Diese unerwarteten Signale können aus

der überlagerten Isotopenverteilung von Nebenprodukte mit den Summenformeln C114H34

(s. Abbildung 84c) und C114H36 (s. Abbildung 84d) resultieren. Das gemessene LD-

Massenspektrum kann daher durch ein Gemisch aus C114H30/C114H34/C114H36 im

Intensitätsverhältnis 1:1:0,54 simuliert werden (s. Abbildung 84e). Zu welchen chemisch

plausibeln Strukturen können nun diese Strukturformeln mit 4 bzw. 6 Wasserstoffatomen

mehr als PAH 54 zugeordnet werden?

Hauptteil

165

LD-mass spectrum

SimulationC114H36

SimulationC114H34

SimulationC114H30

d)

c)

b)

a)

1390 1395 1400 1405 1410 1415

SimulationC114H30:C114H34:C114H36

1 : 1 : 0,54e)

m/z

54C114H30

Abbildung 84: a) LD-Massensspektrum des Cyclodehydrierungsprodukts von 53und Simulation der Isotopenverteilung von: b) erwarteten PAH 54 (C114H30); c)Nebenprodukt C114H34; d) Nebenprodukt C114H36; e) Gemisch aus PAH 54und Nebenprodukten mit Intensitätsverhältnis 1:1:0,54

Es liegt zunächst die Vermutung nahe, daß es sich bei diesen Nebenprodukten um

Teilcyclisate d.h. um noch nicht vollständig cyclodehydrierte Zwischenprodukte handelt. Bei

kleineren PAHs können solche Teilcyclisate durch Verlängerung der Reaktionszeit beseitigt

werden. Im Falle der Cyclodehydrierung von 53 können aber diese Nebenprodukte selbst nach

längeren Reaktionszeiten immer noch nachgewiesen werden.111 Offensichtlich entsprechen

diese Nebenprodukte nicht Teilcyclisaten sondern besitzen Strukturdefekte, die eine weitere

Cyclodehydrierung unmöglich machten. Bestimmte Umlagerungsreaktionen können zu

Strukturen mit den Strukturformeln C114H34 und C114H36 führen. Wie in Schema 14

Hauptteil

166

dargestellt, könnte eine Phenylwanderung auftreten und nach anschließender

Cyclodehydrierung zu den Strukturen 60 und 61 führen, die tatsächlich 6 bzw. 4

Wasserstoffatome mehr als PAH 54 besitzen.

Cyclodehydrierung

Cyclodehydrierung

Cyclodehydrierung

Rotation

1,2-Phenylwanderung

53 54C114H30M=1398

60C114H36M=1404

61C114H34M=1402

Schema 14: Erklärungsmöglichkeit der Nebenprodukt-Bildung bei der oxidativenCyclodehydrierung von 53 zum PAH 54 (AlCl3/CuOTf2, CS2, RT)

Hauptteil

167

Diese Erklärung ist jedoch schwer überprüfbar, da bis jetzt nur die Molmassen der

Nebenprodukte bestimmbar sind. Die einzige Stütze für diese Interpretation ist die in der

Literatur berichtete Umlagerung von ortho-Terphenyl.144 Bei der Behandlung von ortho-

Terphenyl mit Aluminium(III)chlorid wurden bei niedrigen Temperaturen Umlagerungen zu

meta- und para-Terphenyl beobachtet. Dieses Ergebnis könnte das eigenartige Verhalten des

Vorläufers 53, der ebenfalls ortho-Terphenyluntereinheiten beinhaltet, erklären.

Der hier betrachtete PAH 54 (C114H30) kann wie andere kleinere PAHs auch noch mit

Laserdesorption charakterisiert werden. Im Rahmen der bereits dargelegten Entwicklung der

neuen MALDI-Probenvorbereitung (s. Kapitel III.4.2.2, S. 125), die zur Charakterisierung des

ausgedehnten PAHs 57 (C222H42) absolut notwendig ist, wurden auch einige Tests an kleinen

PAHs durchgeführt. Daraus ergaben sich bemerkenswerte Ergebnisse außerhalb der PAH-

Thematik, die im nächsten und letzten Kapitel der PAH-Untersuchung beschrieben werden

sollen. Es handelt sich, um die Detektion von Oligomeren und Silber-Adduktionen bei der

MALDI-Messung von PAH-Analyten.

III.4.2.6 Detektion von Oligomeren und Silber-Adduktionen bei der MALDI-Messung

von PAHs

Die Festphasenprobenvorbereitung, die die MALDI-Charakterisierung des äußert

ausgedehnten PAHs 57 ermöglichte (s. Kap. III.4.2.2, S. 125), wurde ebenfalls für die

Messung von kleinen PAHs geprüft. Insbesondere wurde dem Unterschied zwischen LD- und

MALDI-Messungen nachgegangen. Abbildung 85 zeigt den Vergleich zwischen den LD- und

MALDI-Massenspektren des PAHs 62, dessen Darstellung in Schema 15 abgebildet ist. Bei

der Gegenüberstellung fällt auf, daß bei MALDI (s. Abbildung 85b) eine Reihe von

Oligomeren (Dimer bis Tetramer) im Unterschied zur Laserdesorption (s. Abbildung 85a)

detektiert werden kann. Die gemessenen Massen entsprechen genau dem Vielfachen des

Molekulargewichts von PAH 62. Somit kann auf die Bildung von rein physikalischen

Oligomeren geschlossen werden (s. Übereinstimmung der gemessenen und simulierten

Isotopenverteilung in Abbildung 85c).

Hauptteil

168

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

5000

10000

15000

20000M.+

a.i.

m/z

a)

b)

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

5000

10000

M4

.+M3

.+

M2

.+

M.+

Mat

rix

a.i.

m/z

c)

Experiment

Simulation

62M=670

2005 2010 2015 2020

m/z

1335 1340 1345 1350

m/z

M2.+ M3

.+

Abbildung 85: a) LD- und b) MALDI-TOF-Massenspektren des PAHs 62 (fürMALDI wurde Dithranol als Matrix verwendet).

Hauptteil

169

Chemische Oligomere (d.h. kovalent gebundene) wären dagegen bei zwei, vier bzw. sechs

Masseneinheiten weniger detektierbar, da für die Bildung jeder kovalenten Bindung zwei

Wasserstoffatome entfernt werden müssten.

62C54H22

Schema 15. Bildung von PAH 62. AlCl3/CuOTf2, CS2, RT

63C66H26

Schema 16. Bildung von PAH 63. AlCl3/CuOTf2, CS2, RT

Es stellt sich nun die Frage, ob diese Oligomere als solche desorbiert oder erst in der

Gasphase gebildet werden. Um dies zu beantworten, wurden die PAHs 62 und 63 gemischt

(Darstellung s. Schema 16) und zusammen mittels der Festphasenprobenvorbereitung mit der

Matrix homogenisiert. Das hiervon gemessene MALDI-Massenspektrum in Abbildung 86

zeigt die Bildung von gemischten Oligomeren.

Hauptteil

170

0 1000 2000 3000 4000

1000

2000

3000

[C54

+2x

C66

].+

[2xC

54+

C66

].+

[3xC

66].+

[3xC

54].+

[2xC

54].+

[C54

+C

66].+

[2xC

66].+

C66

.+

Mat

rix

C54

.+

a.i.

m/z

a)

b)Experiment

Simulation

+

62 C54H22 63 C66H26M=670 M=818

1484 1488 1492 1496

m/z

[C54+C66].+

Abbildung 86: MALDI-Massenspektrum der mechanischen Mischung aus PAH62, 63 und Dithranol als Matrix

Prinzipiell könnten sie bereits vor der Desorption in der kondensierten Phase gebildet werden,

wofür jedoch eine besonders feine Mischung (bis zur molekularen Ebene) der zwei

Molekülentypen 62 und 63 erforderlich wäre. Bedenkt man noch, daß die PAH-Analyten in

der Matrix „verdünnt“ sind (Molverhältnis: 1:500 bis 1:1000), scheint die Annäherung von

Hauptteil

171

zwei Molekülen 62 und 63 zur Bildung eines gemischten Dimers eher ungünstig. Dagegen

wird die Bildung dieser Oligomeren in der Gasphase als viel wahrscheinlicher eingestuft. Die

Oligomere können als PAH-Stapel aufgefaßt werden, in dem die positive Ladung über

mehrere Einheiten verteilt ist. Diese Oligomerenbildung, die das MALDI- von dem LD-

Massenspektrum unterscheidet, kann folgendermaßen begründet werden: Beim LD-Prozeß

könnte der Analyt zunächst ionisiert und anschließend desorbiert werden, was zur Entstehung

von überwiegend geladenen Molekülen in der Gasphase führen würde. Dagegen könnte bei

MALDI der Analyt durch Matrixunterstützung zunächst als Neutralmolekül desorbiert und

erst in der Gasphase durch Photoabsorption ionisiert werden. Aus der Mischung von

Neutralmolekülen und Radikalkationen könnten dann geladene Oligomere gebildet werden.

Eine andere mögliche Erklärung für den Unterschied zwischen den LD- und MALDI-

Massenspektren könnte auch durch die „Milde“ des MALDI-Prozesses begründet werden.

MALDI ist wesentlich schonender bei der Desorption/Ionisation als LD und kann daher die

Dissoziation der gebildeten Oligomeren verhindern. Dagegen sind die Moleküle bei LD viel

stärker angeregt, um solche relativ labilen Aggregate stabil zu halten.

Eine weiteres interessantes Ergebnis wurde bei der Betrachtung der Ionisierungsart von PAH

erhalten. Aufgrund der Absorption der PAHs bei der Wellenlänge des verwendeten N2-Lasers

(337 nm) läuft der Ionisationsprozeß anders als bei einem gewöhnlichen MALDI-Prozeß ab.

Statt quasimolekularer Ionen, die durch eine Kationanlagerung oder Protonierung gebildet

werden, werden Radikalkationen detektiert. Dies wurde bisher allgemein bei absorbierenden

Analytmolekülen beobachtet.73,74,75 In der Literatur wurde bereits über protonierte145,146 oder

mit Natrium-kationisierte147 PAHs berichtet. Die Protonierung trägt wenig zur Ionisation von

PAHs bei, und die Bildung von [M+Na]+, die bei kleinen PAHs (z.B. Phenanthren, Chrysen)

intensiv ist, läßt mit zunehmender Größe des aromatischen Systems nach, so daß schon beim

Coronen überwiegend Radikalkationen detektiert werden.

Phenanthren Chrysen Coronen

Hauptteil

172

Nicht literaturbekannt ist bisher die Ionisation von PAHs durch Anlagerung eines

Silberkations, die jedoch bei unseren Untersuchungen ebenfalls nachgewiesen wurde

überprüft. Abbildung 87 zeigt das mit der Mischung PAH 62/Dithranol/CF3CO2Ag erhaltene

Massenspektrum.

600 700 800 900 1200 1300 1400 1500 1600

[M2+Ag]+

[M+Ag]+

M2

.+

M.+

m/z

0 1000 2000 3000 40000

5000

10000

[M3+

Ag]

+

[M2+

Ag]

+

[M+

Ag]

+

M3.+

M2.+

M.+

Mat

rix

a.i.

m/z

a)

b)

Ag+

PAH

PAH

+ Ag+

62 C54H22M=670

Abbildung 87. MALDI-Massenspektrum von 62 bei Zusatz von Silbertrifluoracetatals Kationisierungsagenz. Hinweis auf eine Sandwichstruktur derSilberadduktionen

Hauptteil

173

Während das [M+Ag]+-Addukt nicht detektiert wird, taucht neben dem Radikalkation-Signal

der Dimeren ein Signal des mit Ag+ kationisierten Dimeren auf. Die Signalintensität des

Silberadduktions ist gering im Vergleich zu der des Radikalkationsignals. Daher ist diese

Ionisierungsart für PAHs nicht von großer Bedeutung. Dennoch ist die Bildung von

Silberadduktionen, die nicht beim PAH-Monomeren, sondern erst bei PAH-Dimeren

detektiert werden, bemerkenswert, da diese Beobachtung die Annahme stützt, daß

Silberadduktionen von aromatischen Analyten eine Sandwichstruktur erfordern.148 Diese

Sandwichstruktur kann im Falle von scheibenförmigen PAH-Analyten erst bei der Entstehung

von Dimeren ermöglicht werden. Dieses Ergebnis ist bedeutsam für die Aufklärung der

Struktur von anderen Silberadduktionen aus aromatischen Analyten, die z.B. bei der MALDI-

Messung von Polystyrol erforderlich sind.

In diesem Teil der Arbeit wurde die MALDI-Probenvorbereitung für die Charakterisierung

von PAHs angepaßt. Dabei wurde bewiesen, daß eine Probenvorbereitung ohne Beteiligung

von Lösungsmitteln ebenfalls der MALDI-Prozeß gewährleisten kann. Dank dieser

Entwicklung der MALDI-Methode konnte das unlösliche PAH 57 (C222H42) charakterisiert

werden. Darüber hinaus wurde TCNQ zum ersten Mal als Matrix bei der MALDI-Methode

erfolgreich eingesetzt. TCNQ hat sich zur Charakterisierung unlöslicher PAHs als besonders

geeignet erwiesen. Die genauen Gründe dafür sind wegen der bisher noch relativ geringen

Kenntnisse über den MALDI-Prozeß noch schwierig zu verstehen. Desweiteren ist noch

unklar, ob TCNQ nur die Desorption der PAHs unterstützt oder die Ionisation zusätzlich

begünstigt. Wenn dies der Fall ist, sollte die Matrix TCNQ für die Charakterisierung anderer

Analyte, die als Radikalkationen ionisiert werden, ebenfalls gut geeignet sein. Diese

Ionisierungart wird bei der MALDI-Methode ausschließlich für Analyten beobachtet, die bei

der Laserwellenlänge signifikant absorbieren.73,74,75 Die absorbierenden Substanzen neigen

aber während des MALDI-Prozesses zur Fragmentierung. Demzufolge ist es notwendig, die

Laserleistung möglichst zu reduzieren, so daß der Analyt vor der Laserstrahlung „geschützt“

wird. Auch hierfür ist TCNQ eine interessante Matrix, da dessen Desorptionschwelle sehr

niedrig liegt (s. Klassifizierung der Matrices nach Desorptionsschwelle in Anhang 2). Die

vermuteten Vorteile der Matrix TCNQ werden im ersten Teil des nächsten Kapitels bei der

Untersuchung von löslichen, konjugierten Polymeren (Poly-para-phenylen (PPP), Poly-para-

phenylenethinylen (PPE) geprüft, die ebenfalls bei 337 nm absorbieren.

Hauptteil

174

III.5. Bedeutung der Probenvorbereitung bei der MALDI-

Massenspektrometrie

Aus den zwei letzten Kapiteln des Hauptteils geht die Bedeutung der Probenvorbereitung bei

der MALDI-Methode deutlich hervor. Der Erfolg des MALDI-Prozesses hängt entscheidend

davon ab, ob ein Analyt intakt in die Gasphase überführt werden kann. Desweiteren wurde das

Problem der Quantifizierung bei der Untersuchung des PAH-Gemisches veranschaulicht. Die

Relativintensitäten der unterschiedlichen Produktsignale zeigen eine deutliche Abhängigkeit

von der Probenvorbereitung. In diesem Kapitel soll anhand weiterer Beispiele die Wirkung

der Probenvorbereitung auf das MALDI-Massenspektrum untersucht werden. Der erste Teil

widmet sich Analyten wie Poly-para-phenylen und Poly-para-phenylenethinylen, die bei der

Wellenlänge des Stickstofflasers absorbieren. Diese Substanzen haben für die MALDI-

Methode eine atypische Ionisierungsart, da sie Radikalkationen bilden anstatt wie sonst üblich

ein Kation anzulagern. Außerdem neigen sie aufgrund ihrer starken UV-Absorption zur

Fragmentierung. Die neue Matrix TCNQ, die für solche Substanzen prädestiniert scheint, soll

in diesem Zusammenhang hinsichtlich ihrer Eignung zur Vermeidung von „in-source“-

Fragmentierung untersucht werden. Zum Abschluß dieses Kapitels wird das Problem der

Quantifizierung einer Polymerverteilung kurz betrachtet. Insbesondere wird anhand einiger

Beispiele der Einfluß der Matrix sowie des Kations auf die Wiedergabe der Polymerverteilung

dargestellt.

III.5.1 Einfluß der Matrix auf das Fragmentierungsverhalten von

konjugierten Polymeren

III.5.1.1 Problematik der Charakterisierung von konjugierten Polymeren

Konjugierte Polymere besitzen ein ausgedehntes π-System, das sich über das ganze Molekül

erstreckt. Das einfachste konjugierte Polymer besteht aus einer Polyenkette mit alternierenden

Ein- und Zweifachbindungen. Andere Beispiele schließen aromatische Bausteine wie Benzol,

Thiophen, Pyrrol oder „Hybride“ aus olefinischen und aromatischen Einheiten wie Stilben

oder Phenylvinylen ein. Das ausgedehnte π-System ist mit einem starren Rückgrat kombiniert,

das dem konjugierten Polymer besondere elektronische und optische Eigenschaften verleiht.

Die Starrheit des π-Systems begrenzt andererseits die Löslichkeit der Verbindung. Obwohl

Hauptteil

175

sich die Materialwissenschaft hauptsächlich auf Feststoffeigenschaften konzentriert, ist eine

ausreichende Löslichkeit für die Synthese, die Charakterisierung sowie für die Verarbeitung

notwendig. Die Löslichkeit der konjugierten Polymere kann durch die Einführung von

Seitenketten (z.B. Alkyl- od. Alkoxysubstituenten) unterstützt werden. Allerdings hat diese

Methode einige Nachteile. Die Seitenketten können die π-Konjugation beeinflussen, indem sie

eine Torsion in der Kette verursachen oder ein enges Stapeln der Moleküle in der Festphase

behindern.

Trotz der löslichkeitsvermittelnden Seitenketten sind die konjugierten Polymere aufgrund

ihrer Starrheit eine Herausforderung für die konventionnellen polymeranalytischen Methoden.

Eine Charakterisierung mittels GPC, der am meisten eingesetzten Methode in der

Polymeranalytik, ist problematisch. Die GPC beruht auf der Trennung von Polymeren nach

ihrem hydrodynamischen Volumen, das in Beziehung zum Molekulargewicht steht. Steife

Stäbchen unterscheiden sich aber im hydrodynamischen Volumen drastisch von der

Knäuelstruktur, und eine übliche, auf Polymerstandards (wie z.B. Polystyrol) basierende

Kalibrierung darf für die Molekulargewichtsbestimmung nicht mehr angewendet werden.

MALDI wurde bereits für die Charakterisierung solcher Systeme erfolgreich eingesetzt.74,75

Unabhängig von der Molekulargewichtsbestimmung ist auch die Charakterisierung der

Endruppen von großer Bedeutung. Die Endgruppen können in der Tat zu den physikalischen

Eigenschaften eines Oligomers beitragen und müssen gegebenenfalls bei der

Materialuntersuchung berücksichtigt werden. Wie im Kapitel III.2.2.2.2 bereits erwähnt,

verhalten sich allerdings die konjugierten Polymere bei der MALDI-Analyse eigenartig. Statt

Adduktionen (mit Protonen oder zugesetzten Metall-Kationen) zu bilden, werden sie als

Radikalkationen ionisiert. Dies ist auf ihre Absorption des Laserlichts zurückzuführen, die

eine Photoionisation auslöst. Außerdem neigen diese absorbierenden Analyten während des

MALDI-Prozesses zur Fragmentierung. Diese Eigenschaft kann für die MALDI-

Charakterisierung kritisch werden. Es ist oft schwierig, ein „in-source“-Fragment von einem

Nebenprodukt im Massenspektrum zu unterscheiden, außerdem kann die Fragmentierung so

intensiv werden, daß das intakte Analytmolekül nicht mehr nachgewiesen werden kann. Um

die „in-source“-Fragmentierung zu beschränken bzw. zu vermeiden, soll die Laserleistung

möglichst niedrig bzw. gerade an der Ionisationsschwelle des Analyten gehalten werden.

Daher sollte eine Matrix mit einer niedrigen Desorptionsschwelle benutzt werden, die

möglichst noch unter der Ionisationsschwelle des Analyten liegt. Diese Voraussetzung ist

Hauptteil

176

allerdings nicht ausreichend, um die „in-source“-Fragmentierung zu vermeiden. Sollte die

Ionisationsschwelle über der Fragmentierungsschwelle des Analyten liegen, wird die

Photoionisation eine Fragmentierung unvermeidlich auslösen. Sollte aber die Ionisation nicht

nur durch Laseranregung stattfinden, sondern durch eine Matrix unterstützt werden, könnte

eine Fragmentierung vielleicht noch umgangen werden. Die matrixuntertstützte Ionisation

müßte eine niedrigere Schwelle als die Photoionisation besitzen und könnte prinzipiell unter

der Fragmentierungsschwelle liegen. Sollte die neue Matrix TCNQ, die eine relativ niedrige

Desorptionsschwelle besitzt (s. Klassifikation der Matrices in Anhang 2), die Bildung der

Radikalkationen tatsächlich unterstützen, könnte sie vielleicht die Fragmentierung der

konjugierten Polymeren vermeiden. Diese Möglichkeit wurde an Poly-para-phenylen- und

Poly-para-phenylenethinylen-Proben getestet.

III.5.1.2 Charakterisierung mit MALDI: Einfluß der Matrix auf das

Fragmentierungsverhalten

III.5.1.2.1 Untersuchung eines Poly-para-phenylens

Das untersuchte Poly-para-phenylen wurde von Marcus Remmers im Rahmen seiner

Doktorarbeit synthetisiert.149 Die Polykondensation basierte auf einer Palladium-katalysierten

Suzuki-Reaktion.150

BB

O

OO

OO

O+ 2 BrBr

O

O

n=1, 3, 5, ...

Br

O

O

Br

O O

O O

n

THF/H2ONaHCO3

Pd(PPh3)4

64 65 66

Abbildung 88: Synthese des untersuchten PPP’s 66

Die geschützte 1,4-Phenylendiboronsäure 64 wurde mit einem zweifachen Überschuß an 1,4-

Dibrombenzol 65 umgesetzt und führte zum Poly-para-phenylen 66 (s. Abbildung 88). Durch

den Überschuß an Dibrom-Monomer 65 wurden nahezu ausschließlich nur Oligomere

Hauptteil

177

(Polymerisationsgrad bis 17-19) erhalten, die eine ungerade Zahl von Phenyleneinheiten und

Bromendgruppen an beiden Kettenenden besitzen.75 Aufgrund des relativ hohen

Molekulargewichts der Wiederholungseinheiten (298 g/mol) konnten die Oligomere mit Hilfe

der präparativen Chromatographie abgetrennt werden. Diese Trennung wird oft bei der

Untersuchung konjugierter Polymere durchgeführt.151 Die monodispersen Oligomere können

so systematisch mit steigender Kettenlänge auf ihre elektronischen und optischen

Eigenschaften hin untersucht werden. Die so gewonnenen Resultate können dazu benutzt

werden, um Eigenschaften des Polymers zu verstehen und vorherzusagen. Die monodispersen

Oligomere dienen auch zum Studium ihrer Massenspektren, ohne den störenden Einfluß von

Fragmenten anderer Kettenlängen. Somit wird also die Zuordnung der auftretenden Fragmente

eindeutig.

Zunächst soll die im MALDI-Massenspektrum auftretende Fragmentierung des Oligo-para-

phenylens 66 näher untersucht werden. Zur Demonstration wurde das Heptamer verwendet.

Br

O

O

Br

O O

O O

7

66

2200 2250 2300 2350 2400 2450

PSD!M - C

5H

11

M -

C5H

11 +

H

M -

Br

- C

5H11

+ 2

H

M -

Br

+ H

M.+

n=7

m/z

Abbildung 89: MALDI-Massenspektrum des Heptamers von PPP 66 imReflektormodus mit Dithranol als Matrix

Hauptteil

178

Abbildung 89 zeigt das im Reflektormodus mit Dithranol als Matrix aufgenommene MALDI-

Massenspektrum. Neben dem Mutterionenpeak werden Fragmentionen unterschiedlicher Art

detektiert: „in-source“- und „post-source“-Fragmentionen. Die „in-source“-Fragmentionen

entstehen in der Quelle des Massenspektrometers und werden wie intakte Ionen vom

anliegenden elektrischen Feld beschleunigt. Sie sind daher schwer von potentiellen

Gemischbestandteilen einer Probe zu unterscheiden. Meistens werden „in-source“-

Fragmentionen durch ihrer Signalintensität erkannt, da beim Erhöhen der Laserleistung die

relative Signalintensität eines „in-source“-Fragmentions im Vergleich zu der Signalintensität

seines Mutterions zunimmt. Bei der Messung von Oligo-para-phenylen 66 (s. Abbildung 89)

entstehen die „in-source“-Fragmentionen durch Verlust einer Bromendgruppe, einer

Pentylseitenkette oder beider. Auffallend ist, daß diese „in-source“-Fragmentionen nicht

genau bei der zu erwartenden Massen detektiert werden. Die durch den Verlust einer

Bromendgruppe oder einer Pentylseitenkette gebildeten Fragmentionen werden bei einer

Masseneinheit mehr als der theoretischen Masse detektiert. Bei dem Verlust von sowohl einer

Bromendgruppe als auch einer Pentylseitenkette wird das Fragmention bei zwei

Masseneinheiten höher als der theoretischen Masse detektiert. Offensichtlich findet bei den

„in-source“-Fragmentionen einer schnellen Hydrierung der Bruchstelle vor der Ionisation

statt. Bei etwas höheren Massen als der durch den Verlust einer Pentylseitenkette

entstandenen „in-source“-Fragmentions wird ein „post-source“-Fragmention detektiert, das

ebenfalls durch den Verlust einer Pentylseitenkette gebildet wird. Ein „post-source“-

Fragmention erreicht den Reflektordetektor erst nach seinem Homologen, das in der Quelle

schon entstanden ist. Dies wird in Abbildung 90 veranschaulicht.

Hauptteil

179

VrefVacc

Reflektor-Detektor

Quelle

Reflektor

Vref

Driftstrecke

Vacc

a) Mutterion und „in-source“-Fragmention (ISD)

b) „post-source“-Fragmention (PSD)

M mvISD>vMutterEkin_ISD=Ekin_Mutter

mvPSD=vMutterEkin_PSD<Ekin_Mutter

Abbildung 90: Flugzeiten von a) Mutterion M und „in-source“- Fragmention,und b) „post-source“-Fragmention

Hauptteil

180

Das „in-source“-Fragmention hat eine kleinere Masse und folglich eine höhere

Geschwindigkeit als dessen Mutterion (s. Abbildung 90a). Das „post-source“-Fragmention

wird aber erst nach der Beschleunigungsphase gebildet und besitzt in der Driftstrecke die

gleiche Geschwindigkeit wie das Mutterion (s. Abbildung 90b). Es hat also eine gewisse

Verspätung in Vergleich zu seinem Homologen, das bereits in der Quelle gebildet wurde. Im

Reflektor dringt das „post-source“-Fragmention aufgrund seiner kleineren kinetischen Energie

nicht so tief ein wie das Mutterion bzw. wie das „in-source“-Fragmention. Dementsprechend

wird seine Flugzeit verkürzt, und das „post-source“-Fragmention kommt am

Reflektordetektor vor dem Mutterion und kurz nach dem „in-source“-Fragmention an. Um die

unterschiedlichen Flugzeiten der „in-source“- und „post-source“-Fragmentionen noch einmal

zu verdeutlichen, kann die Meßanordnung des Massenspektrometers variiert werden (s.

Abbildung 91). Im Linearmodus (s. Abbildung 91b) sind nur die „in-source“-Fragmentionen

zu beobachten, da das „post-source“-Fragmention zum gleichen Zeitpunkt wie das Mutterion

den Lineardetektor erreicht. Wird nun das Mutterion mit dem elektrischen Gate selektiert –

d.h. „in-source“-Fragmentionen werden vor dem Reflektor ausgeblendet-, kommen nur die

„post-source“-Fragmentionen am Reflektordetektor an (s. Abbildung 91c). Nach Kalibrierung

dieser „post-source“-Fragmentionen rückt dann das Fragment zu seinem richtigen

Molekulargewicht (s. Abbildung 91d). Dieses PSD-Fragmention ist im Gegensatz zu seinem

„in-source“-Homologen nicht hydriert worden. Dies ist einleuchtend, da eine

Wasserstoffübertragung in der Quelle mit sehr großer Wahrscheinlichkeit stattfinden kann,

während sie im Flug aufgrund der selteneren Zusammenstöße kaum möglich ist.

Hauptteil

181

2200 2250 2300 2350 2400 2450

M.+

P S DM - C 5H 1 1

m /z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

P S D M - C

5H

11

(nach-kal ibriert)

m /z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

P S DM - C 5H 11

m /z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

PSD!M - C

5H

11

M -

C5H

11 +

H

M -

Br

- C

5H11

+ 2

H

M -

Br

+ H

M .+

n=7

m /z

a)

b)

c)

d)

Reflektormodus

Linearmodus

Reflektormodus +Selektion von M und dessen PSD-Fragmenten(ohne PSD-Kalibrierung)

Reflektormodus +Selektion von M und dessen PSD-Fragmenten(mit PSD-Kalibrierung)

Br

O

O

Br

O O

O O

7

66

Abbildung 91: MALDI-Massenspektren des Heptamers von PPP 66 mit Dithranolals Matrix: Änderung der Meßanordnung. a) Reflektormodus, b) Linearmodus, c)nach Selektion des Quasimolekularions und dessen PSD-Fragmente, ohne PSD-Kalibrierung, d) nach Selektion des Quasimolekularions und dessen PSD-Fragmenten, mit PSD-Kalibrierung

Hauptteil

182

An dieser Stelle sei angemerkt, daß beim PSD ausschließlich Pentylseitenketten und keine

Bromendgruppe abgespalten werden. Dies liegt wahrscheinlich an der unterschiedlichen Art

der Anregungsmechanismen sowie am Zeitpunkt der Fragmentierungen. Das

Ionisierungspotential von PPP liegt ungefähr bei 6 eV.152 Seine Photoionisation mit einem N2-

Laser (337nm d.h. 3,68 eV) erfordert also die Absorption mehr als eines Photons: Dies wird

als „multi-photon ionization“ (MPI) bezeichnet. Die Bromendgruppen des PPP’s 66 haben

vermutlich einen erheblichen Einfluß auf dessen Photoionisation. Es ist bekannt, daß

halogenierte Aromaten schneller strahlungslosen Übergängen (meistens durch „internal

conversion“) unterliegen,153 die die MPI beeinträchtigen. Durch strahlungslosen Übergängen

wird Energie aus dem angeregten elektronischen Zustand (S1) schnell entweichen, bevor ein

zweites Photon die Ionisation induzieren kann. Moleküle, die mehr als zwei Photonen

absorbieren, ohne dabei zu ionisieren, neigen dann zur schnellen Fragmentierung, da die

eingebrachte Anregungsenergie deutlich die Bindungsenergien überschreitet.154 Die gebildeten

Fragmente werden dann gegebenenfalls ionisiert. In diesem Fall könnte vor der Ionisation des

Fragmentes noch die beobachtete Wasserstoffabsättigung (s. o.) stattfinden. Dieser Prozeß

kann, wie folgt, zusammengefaßt werden:

(1) Fragmentierung des neutralen Analyten:

M → m1. + m2

. (M = Analyt; m1, m2 = Fragmente)

(2) Hydrierung des Fragments:

m1. + H. → m1-H

(3) Multiphotonenionisation des hydrierten Fragments:

m1-H → [m1-H].+ + e-

Dabei könnte im Falle von PPP 66 das abgespaltete Fragment m2 eine Bromendgruppe oder

eine Alkylseitenkette darstellen. Im Gegensatz zu dieser „in-source“-Fragmentierung, die in

der Quelle des Massenspektrometers stattfindet, tritt „post-source decay“ erst nach der

Beschleunigungszone ein. Ihre Aktivierungsenergie stammt aus Zusammenstößen beim

Desorptionsprozeß und bei der anschließenden Beschleunigung. Das PSD kann

folgenderweise beschrieben werden:

M.+ → m1.+ + m2

Hauptteil

183

Ein bemerkenswerter Unterschied zwischen der „in-source“-Fragmentierung (wie sie hier

interpretiert wird) und dem PSD ist, daß die in der Quelle entstandenen Fragmente aus

neutralen Molekülen gebildet werden, während die PSD-Fragmente aus Molekularionen

stammen. Dies könnte eine Erklärung sein, warum beim PSD keine Bromendgruppe

abgespalten wird. Die Halogensubstituenten können sich als Elektronendonatoren

verhalten,155 indem sie ihre einsamen Elektronenpaare dem aromatischen Ring zur Verfügung

stellen und somit zur Stabilisierung des Radikalkations beitragen. Ihre Abspaltung ist daher

ungünstig.

Um auf die Charakterisierung vom PPP zurückzukommen, verkompliziert eine „post-source“-

Fragmentierung zwar das Massenspektrum, kann aber ausgeklammert werden. Zum einen

kann die Natur des Fragments sowie das entsprechende Mutterion bestimmt werden, indem

das vermutliche Mutterion mit dem elektrischen Gate selektiert wird (wie in Abbildung 91c

und d). Zum anderen kann das PSD-Fragmention durch eine Messung im Linearmodus

„ignoriert“ werden (s. Abbildung 91b). Die nicht beeinflußbare Fragmentierung findet in der

Quelle statt. Abbildung 92 zeigt die Wirkung der Laserleistung auf die Fragmentierung und

belegt, warum mit einer möglichst niedrigen Laserleistung gearbeitet werden soll, damit die

Fragmentierung nur eingeschränkt stattfindet. Im Falle von Dithranol als Matrix für diesen

Analyten kann aber die Fragmentierung nicht gänzlich vermieden werden. Es soll nun getestet

werden, ob eine Änderung der Matrix die Fragmentierung verhindern kann. Sollte TCNQ die

angenommene Eigenschaft tatsächlich besitzen, die Bildung von Radikalkationen zu

unterstützen, wäre eine Verbesserung der Messung zu erwarten.

Hauptteil

184


a)

b)

c)

Matrix=Dithranol

2200 2250 2300 2350 2400 2450

m/z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

m/z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

PSDM - C

5H

11

M -

C5H

11 +

H

M -

Br

+ H

M -

Br

- C

5H11

+ 2

H

M.+

n=7

m/z

Abbildung 92: Wirkung der Laserleistung auf das MALDI-Massenspektrum desHeptamers von PPP 66 mit Dithranol als Matrix. a) Laserleistung bei derDesorptionsschwelle, b) etwas höhere Laserleistung, c) noch höhere Laserleistung

Hauptteil

185

Abbildung 93a zeigt das mit TCNQ im Reflektor aufgenommene MALDI-Massenspektrum

des Heptamers 66. Neben dem Mutterionsignal wird nur das PSD-Fragment detektiert. Die

„in-source“-Fragmentierung konnte aber vermieden werden. Sie tritt nur durch Erhöhung der

Laserleistung auf (s. Abbildung 93b), allerdings nur schwach gegenüber dem PSD. Um diesen

positiven Trend der Resultate zu belegen, wird ein Vergleichspektrum mit all-trans-

Retinoesäure als Matrix aufgenommen. Es soll belegen, ob die Desorptionsschwelle der

Matrix einen ausschlaggebenden Parameter darstellt.


a)

b)

Matrix=TCNQ

2200 2250 2300 2350 2400 2450

M.+

n=7

nur PSD

M - C5H

11

m/z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

M.+

PSDM - 3 C5H11

PSDM - 2 C5H11

M -

Br

+ H

PSDM - C5H11

m/z

Abbildung 93: Reflektor-MALDI-Massenspektrum des Heptamers von PPP 66 mitTCNQ als Matrix und Änderung mit steigender Laserleistung. a) Laserleistung beider Desorptionsschwelle, b) höhere Laserleistung

Hauptteil

186

Mit all-trans-Retinoesäure als Matrix kann eine deutlich niedrigere Laserleistung als mit allen

anderen Matrices verwendet werden (s. Klassifikation der Matrices nach Desorptionsschwelle

in Anhang 2). Dennoch konnte die „in-source“-Fragmentierung nicht vermieden werden (s.

Abbildung 94a). Dies zeigt, daß eine niedrige Desorptionsschwelle der Matrix nicht ausreicht,

und unterstüzt die Vermutung, daß die Matrix zusätzlich die Ionisation unterstützen muß, wie

es bei TCNQ offenbar der Fall ist. Dabei wird die Ionisationsschwelle soweit herabgesetzt,

daß sie unter der Fragmentierungsschwelle liegt. Der Analyt kann dann „schonend“ ionisiert

werden, ohne dabei zu fragmentieren.


a)

b)

Matrix=all-trans-Retinoesäure

2200 2250 2300 2350 2400 2450

m/z

2200 2250 2300 2350 2400 2450

PSDM - C5H11

M -

C5H

11 +

H

M -

Br

+ H

M -

Br

- C

5H11

+ 2

H M.+

n=7

m/z

Abbildung 94: Reflektor-MALDI-Massenspektrum des Heptamers von PPP 66 mitall-trans-Retinoesäure als Matrix und Änderung mit steigender Laserleistung. a)Laserleistung bei der Desorptionsschwelle, b) höhere Laserleistung

Hauptteil

187

Im Rahmen dieser Untersuchung war die unerwartete Begünstigung des PSD durch

Verwendung von TCNQ als Matrix zu erkennen. Der Vergleich zwischen den mit den

unterschiedlichen Matrices aufgenommenen PSD-Massenspektren zeigt es noch deutlicher (s.

Abbildung 95).

1000 1500 2000 25000

4000

8000

12000

16000

Verlust der Seitenkette

.........

M -

4 C

5H11

M -

3 C

5H11

M -

2 C

5H11

M -

C5H

11

M.+

a.i.

m/z

1000 1250 1500 1750 2000 2250 25000

4000

8000

12000

a.i.

m/z

1000 1500 2000 2500

0

500

1000

1500

2000

a.i.

m/z

a)

b)

c)

Matrix=TCNQ

all-trans-Retinoesäure

Dithranol

Abbildung 95: Einfluß der Matrix auf das PSD-Massenspektrum des Nonamersvon PPP 66. a) TCNQ, b) all-trans-Retinoesäure, c) Dithranol als Matrix

Hauptteil

188

Die Messung eines PSD-Massenspektrums ist mit Dithranol erschwert (s. Abbildung 95c), da

der Analyt bereits in der Quelle stark fragmentiert. Dagegen bleibt das Mutterion mit TCNQ

von der Laseranregung verschont (s. hohe Intensität des Mutterions in Abbildung 95a),

unterliegt jedoch einem intensiven PSD, der sich im Verlust der Seitenkette zeigt. Im Falle

vom Analyt PPP 66 ist die aus dem PSD-Fragmentierungsmuster gewonnene

Strukturinformation sicherlich gering, jedoch ist das Ergebnis prinzipiell bedeutsam. Es ist

wichtig zu wissen, daß durch Änderung der Matrix ein PSD-Massenspektrum „empfindlicher“

Analyten aufgenommen werden kann und daraus gegebenenfalls wichtige

Strukturinformationen extrahiert werden können, die mit anderen Matrices quasi

unzugänglich sind.

Die Begünstigung des PSD’s durch die Anwendung von TCNQ als Matrix wurde im Rahmen

dieser Arbeit auch mit anderen Analyten festgestellt. Abbildung 96a zeigt das mit TCNQ

aufgenommene MALDI-Massenspektrum vom Oligophenylen 56, das bereits im Kapitel

III.4.2 betrachtet wurde. Dieser Analyt wird auch durch Bildung von Radikalkationen

ionisiert. Die „post-source“-Fragmentierung ist mit TCNQ unvermeidlich, während sie bei

einer Messung mit Dithranol nicht auftritt (s. Abbildung 96b). Bei diesem Spektrenvergleich

muß besonders auf den Intensitätsunterschied zwischen den Quasimolekularionensignalen

hingewiesen werden. Das mit TCNQ erzeugte intensive Analytsignal ist ein weiterer Hinweis

darauf, daß diese Matrix die Bildung von Radikalkationen fördert.

Hauptteil

189

a)

b)

1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000

1000

2000

3000

4000

16000

18000

20000

22000

PSD-Fragmente

M.+

a.i.

m/z

Matrix=TCNQ

Dithranol

1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000

1000

2000

3000

4000M.+

a.i.

m/z

56C222H150

Abbildung 96: Einfluß der Matrix auf das MALDI-Massenspektrum desOligophenylens 56. a) TCNQ, b) Dithranol als Matrix

Hauptteil

190

Die Aufklärung des PSD-Massenspektrums (s. Abbildung 97) im Fall des Oligophenylens 56

ist leider schwierig. Dem Verlust einer Phenyleinheit, einer bzw. zweier C30H21-„Arme“

können Signale zugeordnet werden, jedoch ist die Interpretation vieler anderer Signale

problematisch. Innerhalb der Signalverteilungen bei m/z 2000 bzw. 2400 beträgt der Abstand

zwischen zwei aufeinander folgenden Peaks 12-14 g/mol. Dies spricht für die Abspaltung von

einzelnen C-Atomen bzw. CH2-Einheiten.

1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800

0

1000

6000

7000

8000

M -

C60

H42

M -

C30

H21

M -

C6H

5

M.+

a.i.

m/z

56C222H150

C30H21

Abbildung 97: PSD-Massenspektrum des Oligophenylens 56 mit TCNQ als Matrix

Hauptteil

191

III.5.1.2.2 Untersuchung eines Poly-para-phenylenethinylens

23

O

EtO I

Hexyl

Hexyln

Als anderes konjugiertes Polymer wurde das bereits im Kapitel III.2.2 erwähnte Poly-para-

phenylenethinylen 23 untersucht. Es handelt sich dabei um einen Vorläufer des PPE-Blocks

24, der für die Synthese des PPE-b-PEO-Copolymers eingesetzt wurde. Die von Viola

Francke durchgeführte Synthese wurde bereits im Kapitel III.2.2 beschrieben (s. S. 67). Das

PPE 23 ist mit einem Iodatom und einer para-Ethoxycarbonyl-phenyl-Gruppe terminiert. Bei

dieser Probe wurde im Gegensatz zum untersuchten PPP 66 keine Abtrennung der Oligomere

durchgeführt. Die Probe ist also polydispers und enthält Oligomere mit einem

Polymerisationsgrad bis zu neun.67 Abbildung 98a zeigt das mit Dithranol aufgenommene

MALDI-Massenspektrum. Die Hauptverteilung, die der erwarteten Struktur entspricht, wird

durch eine zusätzliche Signalverteilung überlagert, die mit dem Symbol „x“ im

Massenspektrum gekennzeichnet ist. Ihre Zuordnung ist in Abbildung 98b geklärt. Bei der

„in-source“-Fragmentierung wird die Iodendgruppe abgespalten, woraus zwei

Fragmentionentypen resultieren. Zum einen wird das Fragment mit Wasserstoff gesättigt. Das

resultierende [M-I+H]-Fragmention wird detektiert. Dies ist in Übereinstimmung mit dem für

PPP 66 beobachteten Prozeß (s. III.5.1.2.1, S. 176). Zum anderen verliert das Fragment

zusätzlich zum Iodatom ein weiteres Wasserstoffatom, so daß das [M-I-H]-Fragmention

ebenfalls entsteht. Die in Abbildung 99 vorgeschlagene Struktur, die einen Ringschluß

beinhaltet, könnte die Bildung dieses [M-I-H]-Fragmentions erklären. Die Charakterisierung

dieser zwei Fragmentionen [M-I+H] und [M-I-H] wird durch die hohe Auflösung des

Massenspektrometers ermöglicht. Die Isotope können getrennt voneinander detektiert werden

wodurch die partielle Überlappung der Isotopenverteilungen beider Spezies aufgedeckt wird.

Hauptteil

192

1000 1500 2000 2500

1000

2000

xxx

x

x

M.+

n=8

M.+

n=7

M.+

n=6

M.+

n=5M.+

n=4

M.+

n=3

a.i.

m/z

1200 1225 1250 1275 1300 1325 1350 1375

M - I + H

M - I - H

M.+

n=4

m/z

a)

b)

Matrix=Dithranol

O

EtO I

Hexyl

Hexyln

23

Abbildung 98: a) MALDI-Massenspektrum von PPE 23 mit Dithranol als Matrixund b) Ausschnitt

Hauptteil

193

O

EtO

Hexyl

Hexyl Hexyln-1

Abbildung 99: Vorgeschlagene Struktur für das [M-I-H]-Fragment

Bei der Probe PPE 23 wird kein „post-source“-Fragment detektiert, solange die Laserleistung

an der Desorptionsschwelle liegt. Wird nun die Laserleistung absichtlich erhöht, um ein PSD-

Massenspektrum aufzunehmen (s. Abbildung 100), wird das gleiche Ergebnis wie im Falle

des PPPs 23 erhalten. Es wird nur der Verlust der Seitenkette und keine Abspaltung des

Iodatoms bei PSD beobachtet. Dies unterstreicht wieder den Unterschied im

Fragmentierungsmechanismus zwischen „ISD“ (In-source decay) von ungeladenen Molekülen

und PSD von geladenen Molekülen, der in Kapitel III.5.1.2.1 bereits interpretiert wurde.

1100 1200 1300 1400

0

2000

4000

6000

Verlust der Seitenkette

M-I??

M -

C11

H24

M -

C10

H22

M -

C6H

13

M -

C9H

20

M -

C5H

11

M -

C4H

9

M -

C2H

5

M.+

n=4

a.i.

m/z

O

EtO I

Hexyl

Hexyln

23

Abbildung 100: PSD-Massenspektrum des Tetramers von PPE 23

Hauptteil

194

Die Messung von PPE 23 wird nun im Hinsicht auf die „in-Source“-Fragmentierung mit

TCNQ wiederholt. Das entsprechende MALDI-Massenspektrum ist in Abbildung 101

dargestellt. Die „in-source“-Abspaltung der Iodendgruppe wird nahezu vollständig vermieden.

Nur wenig intensive Fragmentsignale können noch erkannt werden.

Matrix=TCNQ

1000 1500 2000 2500

1000

2000

3000

M.+

n=7

M.+

n=6

M.+

n=5

M.+

n=4

M.+

n=3a.i.

m/z

O

EtO I

Hexyl

Hexyln

23

Abbildung 101: MALDI-Massenspektrum von PPE 23 mit TCNQ als Matrix

Eine Messung mit all-trans-Retinoesäure wurde ebenso durchgeführt. Das Massenspektrum (s.

Abbildung 102) zeigt ebenfalls einen starken Rückgang der Iodabspaltung. Dagegen wird eine

weitere, mit dem Symbol „+“ gekennzeichnete Peakverteilung detektiert. Dieser Verteilung

kann jedoch keiner einfachen Fragmentierung des Analyten zugeordnet werden. Die

Interpretation muß zunächst zurückgestellt werden, wird aber zu einem späteren Zeitpunkt

noch diskutiert.

Hauptteil

195

Matrix=all-trans-Retinoesäure

1000 1500 2000 2500

500

1000

+

++

+

+

M.+

n=8

M.+

n=7

M.+

n=4

M.+

n=5

M.+

n=6

a.i.

m/z

O

EtO I

Hexyl

Hexyln

23

Abbildung 102: MALDI-Massenspektrum von PPE 23 mit all-trans-Retinoesäureals Matrix

In den mit variierten Matrices aufgenommenen Massenspektren von PPE 23 ist der

Unterschied in der gemessenen Molekulargewichtsverteilung auffallend. In Abbildung 103

sind noch einmal die Massenspektren gegenübergestellt. Die niedermolekularen Oligomere

(n=3, 4) werden mit TCNQ sehr intensiv wiedergegeben (s. Abbildung 103a), während sie mit

Retinoesäure kaum zu detektieren sind (s. Abbildung 103c). Dafür können mit Retinoesäure

„hochmolekulare“ Oligomere (n=8, 9, 10) detektiert werden, die im Massenspektrum mit

TCNQ fast nicht sichtbar sind. Das Massenspektrum mit Dithranol (s. Abbildung 103b) liefert

eine Intensitätsverteilung, die zwischen den mit TCNQ und Retinoesäure erhaltenen

Verteilungen liegt, wenn die Signalintensität der Fragmentionen zu den betreffenden

Mutterionen aufaddiert wird (s. punktierte Linie in Abbildung 103b). Dieses

Quantifizierungsproblem bei der Charakterisierung von synthetischen Polymeren wird im

nächsten Absatz anhand anderer Proben näher untersucht.

Hauptteil

196

a)

b)

c)

Matrix=TCNQ


Dithranol

1000 1500 2000 2500 3000 3500

500

1000

n=6

a.i.

m/z

1000 1500 2000 2500 3000 3500

1000

2000

3000n=4

a.i.

m/z

1000 1500 2000 2500 3000 3500

1000

2000

XXX

X

X

n=4

a.i.

m/z

O

EtO I

Hexyl

Hexyln

23

Abbildung 103: Einfluß der Matrix auf die Massenverteilung von PPE 23: a)TCNQ, b) Dithranol, c) all-trans-Retinoesäure

Hauptteil

197

III.5.2 Einfluß der Matrix auf die Polymerverteilung

Bei den ursprünglichen Anwendungen der MALDI-Massenspektrometrie zur Analyse

synthetischer Polymere bestand die Hoffnung, neben der Bestimmung der absoluten Massen

einzelner Polymerketten auch die Massenverteilung direkt zu ermitteln. Für sehr enge

Verteilungen (Mw/Mn=1,01-1,05) stimmen die durch MALDI bestimmten Molekulargewichts-

mittelwerte mit denen der konventionellen Charakterisierungsmethode gut überein.18 Bei

breiteren Verteilungen ergibt MALDI allerdings zu kleine Molekulargewichtsmittelwerte.20

Bei einer Polydispersität von 1,1 kann die Abweichung der Mw-Werte zwischen MALDI und

GPC schon bis zu 20% erreichen. Im Massenspektrum sind die hohen Molekulargewichte der

Verteilung eindeutig unterbewertet. Es gibt dafür zahlreiche Gründe. Zum einem sind sie

instrumenteller Natur. Die Detektorempfindlichkeit ist z.B. ein kritischer Punkt. Die

Detektoren sind bei der Massenspektrometrie Häufigkeitsdetektoren, während die GPC

Massendetektoren (basierend auf UV-Absorption, Refraktionsindex oder Lichtstreuung)

einsetzt. Dies führt zu unterschiedlichen Detektorempfindlichkeiten. Sehr geringe Mengen

hochmolekularer Polymeren werden mit der GPC noch detektiert, während diese Signale

hoher Massen bei der Massenspektrometrie leicht im Rauschen verloren gehen. Die

Detektorsättigung ist ferner ein einschränkender Parameter für die Quantifizierung der

Polymerverteilung mit Massenspektrometrie.156 Abgesehen von den Detektionsproblemen

müssen darüber hinaus die in der Quelle des Massenspektrometers gebildeten Polymerionen

ein Spiegelbild der Polymerverteilung sein, die in der Probe vorliegt. Dies bedeutet, daß die

Desorptions- sowie die Ionisierungswahrscheinlichkeit für alle Kettenlängen identisch sein

sollte. Dies ist aber von mehreren Parametern abhängig. Die Laserleistung spielt dabei eine

Rolle. Für eine effiziente Desorption brauchen hochmolekulare Polymere eine höhere

Laserleistung als niedermolekulare und ein Kompromiß, bei dem alle Polymeranteile mit

gleicher Effektivität desorbiert werden, läßt sich nicht finden.157 Einen weitereren Parameter

stellt die Probenvorbereitung dar. Matrices sowie Kationisierungsagentien wirken sich auf die

Form der Polymerverteilung aus.124,125 Der Einfluß der Matrix wurde anhand der Messung

von PPE 23 im vorherigen Absatz bereits veranschaulicht. In diesem Teil sollen noch weitere

Beispiel behandelt werden. Dafür wurden zwei Polymere ausgewählt, wovon das eine als

Radikalkation ionisiert wird, das andere jedoch Adduktionen bildet.

Hauptteil

198

III.5.2.1 Radikalkationenbildung als Ionisierungsmechanismus

20

O

HO

Hexyl

Hexyln

Die Struktur des PPE‘s 20 unterscheidet sich von PPE 23 nur in den Endgruppen. Es ist mit

einer Phenylethinyl- und einer 4-Carboxyphenyl-Gruppe terminiert. Über die Synthese wurde

ebenfalls im Kapitel III.2.2 berichtet. Abbildung 104 zeigt den Vergleich zwischen den

Massenspektren, die mit unterschiedlichen Matrices aufgenommen wurden. Die gemessenen

Intensitätsverteilungen folgen der gleichen Tendenz wie im Falle von PPE 23. Mit TCNQ

werden die kürzeren Oligomeren bevorzugt, während Retinoesäure die längeren überbetont.

Dieser Unterschied in den relativen Peakintensitäten der Oligomere je nach verwendeter

Matrix könnte durch verschiedene Desorptions- oder Ionisationswahrscheinlichkeiten

verursacht werden. Um die Rolle der Desorptionswahrscheinlichkeit zu prüfen, wird ein

anderes Polymer untersucht, das nicht als Radikalkation, sondern als Adduktion ionisiert wird.

Dafür wurde das PEO-b-PPE-Block-Copolymer 21 ausgewählt, das aus dem PPE 20 gebildet

worden ist (s. Synthese in Kapitel III.2.2).

Hauptteil

199

a)

b)

c)

Matrix=TCNQ


Dithranol

1000 1500 2000 2500 3000 35000

5000

10000

15000

n=5

a.i.

m/z

1000 1500 2000 2500 3000 35000

2000

4000

6000

8000 n=4

a.i.

m/z

1000 1500 2000 2500 3000 35000

2000

4000

6000

n=4

a.i.

m/z

O

HO

Hexyl

Hexyln

20

Abbildung 104: Einfluß der Matrix auf die Massenverteilung des PPEs 20: a)TCNQ, b) Dithranol, c) all-trans-Retinoesäure

Hauptteil

200

Bevor das Quantifizierungsproblem weiterhin untersucht wird, sollen noch zwei Einzelheiten

der Abbildung 104 kurz klargestellt werden. Im mit TCNQ gemessenen Massenspektrum (s.

Abbildung 104a) stammen die kleinen Signale vor den Hauptpeaks nicht aus einer „in-

source“-Fragmentierung, sondern entsprechen „post-source“-Fragmentionen, die bei der

Messung mit TCNQ leicht entstehen. Dabei werden Seitenketten abgespalten. Der zweite

Punkt betrifft das mit Retinoesäure aufgenommene Massenspektrum (s. Abbildung 104c).

Zusätzlich zur erwarteten Verteilung werden Nebensignale detektiert. Eine analoge Verteilung

wurde bereits bei der Messung von PPE 23 mit Retinoesäure bemerkt (s. Abbildung 102 oder

Abbildung 103c). Sie wurde mit dem Symbol „+“ gekennzeichnet, konnte aber nicht

zugeordnet werden. Sollten diese Nebensignale durch Fragmentierung verursacht werden,

kann mit Sicherheit die Abspaltung von Endgruppen ausgeschlossen werden, da deren

Abstand zu PPE-Signalen bei Änderung der Endgruppen (von PPE 23 zu PPE 20) gleich

bleibt. Diesen Nebensignalen kann keine einfache Fragmentierung der Hauptkette oder der

Seitenkette zugeordnet werden. Eine andere Interpretation könnte allerdings diese

Nebensignale erklären, die nur bei Anwendung der Retinoesäure im Massenspektrum

auftreten. Die absoluten Massen der Addukte von Retinoesäure mit den PPE-Oligomeren

passen genau auf die detektierten Masse-zu-Ladungsverhältnisse dieser Nebensignale.

Adduktionen des Analyten mit der Matrix werden bei MALDI selten beobachtet, jedoch läßt

die durch eine Polyenkette charakterisierte Struktur von Retinoesäure (s. Abbildung 105) die

Bildung eines Addukts mit PPE plausibel erscheinen.

CH3

COOH

CH3

CH3

CH3 CH3

Abbildung 105: Struktur von all-trans-Retinoesäure

Hauptteil

201

III.5.2.2 Adduktionenbildung als Ionisierungsmechanismus

21

n

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

m

Das PEO-b-PPE-Diblock-Copolymer 21 kann mit Alkalimetallkationen (Li+, Na+, K+)

ionisiert werden. Abbildung 106 zeigt den Vergleich zwischen den mit unterschiedlichen

Matrices aufgenommenen Massenspektren. Als Kationisierungsreagenz wurde

Kaliumtrifluoracetat zugesetzt. Hinsichtlich der Darstellung der Polymerverteilung wird

wieder die gleiche Tendenz, wie zuvor beschrieben, beobachtet. Mit TCNQ werden

niedermolekulare Oligomere überbetont. Die Verteilung mit einer PPE-Blocklänge von n=3

ist deutlich zu sehen, während sie mit Dithranol oder Retinoesäure kaum detektiert wird. Die

hochmolekularen Oligomere werden dagegen mit Retinoesäure und noch stärker mit Dithranol

bevorzugt. Die Verteilungen mit einer PPE-Blocklänge von n=5 bzw. 6 treten im

Massenspektrum mit Dithranol und Retinoesäure deutlich hervor, während sie mit TCNQ

kaum erkennbar sind. Dieser Darstellungsunterschied der Polymerverteilung je nach

verwendeter Matrix tritt also bei verschiedenartigen Ionisierungsmoden auf und scheint daher

eher mit der Desorptionswahrscheinlichkeit als mit der Ionisierungswahrscheinlichkeit in

Beziehung zu stehen.

Hauptteil

202

a)

b)

c)

Kation=K+

Matrix=TCNQ


Dithranol

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000

2000

4000

6000

8000

10000

n=5a.i.

m/z

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000

2000

4000

6000

8000

10000

n=3

a.i.

m/z

1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 30000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

n=6

n=5

a.i.

m/z

n

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

m

21

Abbildung 106: Einfluß der Matrix auf die Massenverteilung des PEO-b-PPE-Copolymers 21: a) TCNQ, b) Dithranol, c) all-trans-Retinoesäure

Hauptteil

203

Die hier beobachtete Charakteristik von Retinoesäure, nach der lange Polymerketten

bevorzugt desorbiert werden, ist auch durch die MALDI-„Rekordmessung“ eines Polystyrols

mit einem Molekulargewicht von 1,5 Millionen Daltons bestätigt.17 Dieses bis jetzt

höchstmolekulare mit MALDI detektierte Polymer konnte in der Tat nur mit Retinoesäure

gemessen werden. Warum eine Matrix Polymerketten mit einer bestimmten Länge bevorzugt

desorbiert, ist noch ein Rätsel. Die Wahl der Matrix ist ein weiterer Parameter, der die

Darstellung der Polymerverteilung im Massenspektrum beeinflußt und folglich einer direkten

Quantifizierung mit Massenspektrometrie im Wege steht.

Im Rahmen dieser Untersuchung wurde eine weitere, erwähnenswerte Beobachtung gemacht.

Beim Vergleich zwischen verschiedenen Matrices wurden auch Massenspektren vom PEO-b-

PPE-Diblock-Copolymer 21 ohne Kationzusatz gemessen. Üblicherweise wird das Polymer in

solchen Fällen mit Kationenspuren, die als Spurenverunreinigungen in der Probe vorliegen,

ionisiert. Dies wird auch für das PEO-b-PPE-Diblock-Copolymer 21 beobachtet, zusätzlich

werden aber im Falle von TCNQ als Matrix auch Radikalkationen des Analyten detektiert (s.

Abbildung 107a). Diese Ionisierungsart konnte mit anderen Matrices als TCNQ, wie es z.B.

das Massenspektrum mit Retinoesäure zeigt (s. Abbildung 107b), nicht beobachtet werden.

Dies ist ein weiterer Hinweis darauf, daß TCNQ den Ionisierungsprozeß bei der Bildung von

Radikalkationen unterstützt.

Hauptteil

204

a)

b)

ohne Kationzusatz

Matrix=TCNQ


1940 1960 1980 2000 20200

2000

4000

6000

[M+

K]+

n=4;

m=

15; [

M+

Na]

+

n=4;

m=

14; [

M+

Na]

+

[M+

K]+

a.i.

m/z

1940 1960 1980 2000 20200

2000

4000

6000

[M+K]+[M+K]+

n=3;m=21;

[M+Na]+

n=3;m=20;

[M+Na]+

n=4;

m=

16;

M

.+

n=4;

m=

15;

M.+

[M+

Li]+

[M+

Li]+

[M+

K]+

[M+

K]+

[M+

Na]

+

n=4;

m=

14; [

M+

Na]

+

a.i.

m/z

n

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

m

21

Abbildung 107: Einfluß der Matrix auf die Ionisierungsart des PEO-b-PPE-Copolymers 21 ohne Kationzusatz: a) TCNQ, b) all-trans-Retinoesäure

Hauptteil

205

III.5.3 Einfluß des Kations auf die Polymerverteilung

Die Abhängigkeit der Ionisierungswahrscheinlichkeit von der Länge der Polymerkette ist auch

ein wichtiger Parameter bei der Ermittlung der Molekulargewichtsverteilung mit

Massenspektrometrie. Dies wurde bereits bei der Untersuchung von PMMA124,125 oder

PEG,158 die mit verschiedenen Alkalimetallkationen ionisierten wurden, festgestellt. Dabei

konnte mit zunehmender Masse des Kations eine Verschiebung der

Molekulargewichtsverteilung zu höheren Massen hin beobachtet werden. Während die

Auswirkung dieser Kationenabhängigkeit auf die Molekulargewichtsmittelwerte bei engen

Polymerverteilungen sich noch in Grenzen hält, kann die Diskrepanz bei breiteren

Verteilungen dramatisch sein.125 Dies wird hier an einem weiteren Beispiel veranschaulicht.

Als untersuchtes Polymersystem wurde Polystyrol ausgewählt. Dieses kann Adduktionen mit

verschiedenen Alkalimetallkationen bilden, so daß der Einfluß des Kationisierungsmetallions

auf die Molekulargewichtsverteilung überprüft werden kann. Allerdings werden diese

Adduktionen im Gegensatz zum silberkationisierten Polystyrol nur in geringer Ausbeute

gebildet. Sobald Spuren von Silber in der Probenvorbereitung vorliegen, wird das Polystyrol

überwiegend mit dem Silberkation ionisiert. Bei diesen Messungen mußten also Silberspuren

absolut ausgeschlossen werden. Um die Abhängigkeit der Kationisierungswahrscheinlichkeit

als Funktion der Kettenlänge deutlich zu illustrieren, wurden die Polystyrolstandards 67 und

68 mit einer äquimolaren Mischung zweier Alkalimetallkationen präpariert. Als Matrix wurde

Dithranol verwendet.

HH9C4

n

67 Mn = 2230 g/mol, Mw=2340, D=1,05

68 Mn = 6600 g/mol, Mw=6758, D=1,02

Abbildung 108 zeigt das MALDI-Massenspektrum des Polystyrols 67, das mit einer

äquimolaren Mischung aus Natrium- und Kaliumtrifluoracetat kationisiert wurde.

Hauptteil

206

1500 2000 2500 3000 35000

1000

2000

3000

4000

a.i.

m/z

1950 2000 2050 2100 2150 2200

n=1

8 ;

[M

+Na]

+

n=2

0 ;

[M

+Na]

+

n=18

; [

M+

K]+

n=20

; [

M+

K]+

n=19

; [

M+

K]+

n=1

9 ;

[M

+Na]

+

m/z

3200 3250 3300 3350 3400 3450

n=3

0 ;

[M

+Na]

+

n=3

2 ;

[M

+Na]

+

n=30

; [

M+

K]+

n=32

; [

M+

K]+

n=31

; [

M+

K]+

n=3

1 ;

[M

+Na]

+

m/z

Abbildung 108: MALDI-Massenspektrum von PS 67 nach Salzgemisch-ZusatzNatrium-/Kaliumtrifluoracetat (1:1 mol.). Einfluß der zugesetztenKationisierungsionen auf die Massenverteilung von Polystyrol

Das Signalintensitätsverhältnis zwischen zwei Adduktionen mit demselben

Polymerisationsgrad verändert sich mit steigender Masse. Während bei den niedrigen

Polymersationsgraden die Signalintensität des Natriumaddukts deutlich die des

Kaliumaddukts überwiegt (s. Spektrumsausschnitt für n=18-20), steigt mit zunehmender

Kettenlänge die relative Signalintensität des Kaliumaddukts. Bei höheren

Polymerisationsgraden kommt schließlich das Signal des Kaliumaddukts mit gleicher

Intensität wie der des Natriumaddukts (s. Spektrumsausschnitt für n=30-32). Die Auswirkung

auf die Molekulargewichtsverteilung ist in Abbildung 109 veranschaulicht.

Hauptteil

207

1500 2000 2500 3000 35000

1000

2000

3000

4000

[M+K]+

[M+Na]+

a.i.

m/z

Abbildung 109. Einfluß des Kationisierungsions auf die Massenverteilung von PS67: Verschiebung des Schwerpunktes

Der Schwerpunkt der Massenverteilung bei der Kaliumkationisierung ist im Vergleich zur

Natriumkationisierung zu höheren Massen verschoben. Um den Einfluß dieser variabeln

Kationisierungswahrscheinlichkeit auf eine breitere Massenverteilung deutlich zu

demonstrieren, werden nun die Polystyrole 67 und 68 in äquimolaren Mengen gemischt. Diese

Mischung simuliert dann eine breite Polystyrolverteilung. Abbildung 110 zeigt das MALDI-

Massenspektrum des Polystyrolgemisches, das mit einer äquimolaren Mischung aus Lithium-

und Natriumtrifluoracetat ionisiert wurde.

Hauptteil

208

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

100

200

300

400

500

600

a.i.

m/z

2200 2250 2300 2350 2400 2450 2500

n=23

; [

M+

Na]

+

n=22

; [

M+

Na]

+

n=21

; [

M+

Na]

+

n=2

3 ;

[M

+Li]+

n=2

2 ;

[M

+Li]+

n=2

1 ;

[M

+Li]+

m/z6600 6650 6700 6750 6800 6850 6900

n=65

; [

M+

Na]

+

n=64

; [

M+

Na]

+

n=63

; [

M+

Na]

+

n=6

5 ;

[M

+Li]+

n=6

4 ;

[M

+Li]+

n=6

3 ;

[M

+Li]+

m/z

Abbildung 110: : MALDI-Massenspektrum einer Polystyrolmischung 67/68 (1:1mol.) nach Salzgemisch-Zusatz Lithium-/Natriumtrifluoracetat (1:1 mol.).Simulation des Einflusses der zugesetzten Kationisierungsionen auf dieMassenverteilung

Die gleiche Tendenz wie bei der Untersuchung von Polystyrol 67 wird beobachtet. Die

Signalintensität des Adduktions mit dem kleineren Kation (hier Lithium) ist bei niedrigerem

Polymerisationsgrad (s. Spektrumsausschnitt n=21-23) größer als die des größeren Kations

(hier Natrium). Mit zunehmendem Polymerisationsgrad verändert sich aber das

Signalintensitätsverhältnis. Die relative Signalintensität des Adduktions mit dem größeren

Kation (Natrium) steigt und übertrifft die des Adduktions mit dem kleineren Kation (Lithium).

Bei höheren Polymerisationsgraden ist nun das Signal des Natriumaddukts intensiver (s.

Spektrumsausschnitt n=63-65). Im Falle dieser künstlichen breiten Massenverteilung ist die

Auswirkung auf die zu ermittelnde Molekulargewichtsverteilung beträchtlich. Der erhebliche

Unterschied in der Massenverteilungen der Lithium- und Natriumaddukten ist in Abbildung

111 veranschaulicht.

Hauptteil

209

2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 90000

100

200

300

400

500

600

[PS + Na]+

[PS + Li]+

a.i.

m/z

Abbildung 111: Einfluß des Kationisierungsions (zugesetzt als SalzgemischLithium-/Natriumtrifluoracetat (1:1 mol.)) auf die Massenverteilung derPolystyrolmischung 67/ 68 (1:1 mol.)

Warum ändert sich aber die Kationisierungswahrscheinlichkeit mit der Kettenlänge? Warum

werden mit zunehmender Masse des Kations längere Polymerketten effizienter ionisiert? Dies

liegt vermutlich an der relativen Stabilität der Adduktionen. Im Falle von PMMA und PEG

kann die Konformation des kationisierten Oligomers in der Gasphase eine Erklärung liefern.

„Molecular modelling“- und Ionenchromatographische-Experimente mit PMMA159 bzw.

PEG57-Oligomeren weisen darauf hin, daß sich das Oligomer um das Alkalimetallkation

derart knäuelt, daß möglichst viele Sauerstoffatome mit dem Kation wechselwirken können.

Das Oligomerenknäuel verhält sich als „mehrzahniger“ Ligand, und die Komplexierung des

Alkalimetallkations kann analog zu der mit Kronenethern betrachtet werden.160 Die relative

Stabilität des Adduktions hängt von der Größe der Kavität bzw. des Oligomerknäuels ab, in

dem das Kation eingebettet ist. Die Kavität muß ausreichend groß sein, um das Kation

einbetten zu können, jedoch nicht zu geräumig, damit das Kation mit möglichst vielen

Sauerstoffatomen in Wechselwirkung treten kann. Mit zunehmender Masse bzw. Radius des

Alkalimetallkations werden also bevorzugt längere Oligomerketten komplexiert. Im Falle von

Polystyrol ist weniger über die Konformation des Adduktions bekannt. Ein reiner

Hauptteil

210

Kohlenwasserstoff wie PS 67 oder 68 verfügt nicht über Heteroatome, die das

Alkalimetallkation komplexieren können. Als Ligand dient beim Polystyrol der aromatische

Ring. Für das Silberadduktion wird eine Sandwichstruktur vermutet, wobei das Silberkation

zwischen zwei parallelen Phenylringen liegt. Über die Konformation der hier betrachteten

Polystyrol/Alkalimetall-Adduktionen in der Gasphase ist keine allgemeine Vorstellung

bekannt. Es gibt keinen Hinweis darauf, ob das Kation mit einem, zwei oder mehreren

Phenylringen wechselwirkt. Die beobachtete Tendenz, wonach längere Polymerketten mit

größeren Kationen effektiver ionisiert werden, könnte aber auch durch einen anderen Aspekt

erklärt werden. Die Überschußenergie des Anlagerungsprozesses von großen Kationen in der

Gasphase kann bei Polymeren mit größeren Kettenlängen besser verteilt werden, da bei

längerkettigen Polymeren mehr Freiheitsgrade als bei kurzkettigen vorhanden sind. Der

Anlagerungsprozeß eines größeren Kations sollte eine höhere Überschußenergie in das

Polymermolekül einbringen als ein kleineres Kation. Daher sollte für dieses größere Kation

eine bessere Stabilisierung in der Gasphase eher mit längeren Polymerketten erzielt werden.

Zusammenfassung und Ausblick

211

IV. Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit wurde die MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur

Charakterisierung von Makromolekülen eingesetzt, bei denen die konventionellen

polymeranalytischen Methoden nur unzureichende Informationen oder gar falsche Ergebnisse

liefern. Dazu wurde eine methodische Entwicklung der MALDI-Massenspektrometrie

durchgeführt. Anhand der erzielten Ergebnisse wurden darüber hinaus neue Erklärungsansätze

formuliert, die zu einem besseren Verständnis des noch ungeklärten MALDI-Prozesses

beitragen können. Die ersten zwei Kapitel der Arbeit wurden der Charakterisierung

herkömmlicher synthetischer Polymere gewidmet. So konnte auch in Abwesenheit anderer

Charakterisierungsmethoden durch die Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie

die Struktur der untersuchten Polymere eindeutig bestimmt werden. Das entwickelte

Verfahren wurde zunächst zur Charakterisierung endgruppenmodifizierter Polyethylenglykole

angewendet.

Polyethylenglykole, die mit starren Substituenten wie Cholesteryl oder Fluorescein

endgruppenmodifiziert sind, können mit konventionellen analytischen Methoden nur

unzureichend charakterisiert werden. Die komplizierten NMR-Spektren liefern lediglich einen

Molekulargewichtsmittelwert, und die GPC ermittelt aufgrund des Kalibrierungsproblems

falsche Molekulargewichtsmittelwerte. Mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie konnten

dagegen sowohl die absoluten Massen der Polymerketten als auch die Verschiebung der

Polymerverteilung nach der Endgruppenmodifikation nachgewiesen werden. Die sehr gute

Übereinstimmung der gemessenen absoluten bzw. gemittelten Molekulargewichte mit den

erwarteten Werten widerlegt unter anderem eindeutig die von Li et al. postulierte Verkürzung

der Polyethylenglykolketten während der Endgruppenmodifikation. Diese Untersuchung

konnte die ausschlaggebende Rolle von unterschiedlichen Einstellungen instrumenteller

Parameter bei der Messung einer Polymerverteilung verdeutlichen. Außerdem wurden am

Beispiel der endgruppenmodifizierten Polyethylenglykole bisher nicht erklärbare Signale als

PSD-Phänomen erkannt. Die hierfür ausgearbeitete Methode kann zur Charakterisierung

anderer endgruppenmodifizierter Polymere angewendet werden. Endgruppenmodifizierte

Oligomere können auf direktem Wege anhand der gemessenen absoluten Massen

charakterisiert werden. Diese Daten können bei hochmolekularen Polymeren nicht erfaßt

werden, die Endgruppenmodifikation kann in diesen Fällen jedoch auch durch die


212

charakteristische Erhöhung der Molekulargewichtsmittelwerte nachgewiesen werden. Dafür

sollte das Polymer eine geringe Polydispersität (PD < 1,06) besitzen und mit einem

ausreichend „schweren“ Substituenten endgruppenmodifiziert sein, damit die

Molekulargewichtsverteilung des Polymers signifikant d.h. außerhalb statistischer Meßfehler

verschoben wird.

Für die weitere Untersuchung komplizierter Polymerstrukturen, die mit konventionellen

Charakterisierungsmethoden nicht bestimmt werden können, wurde eine signifikante

Steigerung der Leistungsfähigkeit der MALDI-Methode durch Anwendung der

Fragmentionenanalyse erzielt. Die in der Biochemie bereits etablierte Fragmentionenanalyse,

die auf dem PSD-Phänomen beruht, war bisher aufgrund einer Reihe von experimentellen

Problemen kaum für die Polymeranalytik eingesetzt worden. Unabhängig von einer anderen

Trennungsmethode (wie z.B. GPC) können aus einer polydispersen Probe Polymerketten mit

einer definierten Masse im Massenspektrometer isoliert und deren

Fragmentionenmassenspektren aufgenommen werden. Es wurde anhand einer Homopolymer-

und einer Copolymerprobe eindeutig bewiesen, daß diese Technik einen großen Beitrag zur

Polymeranalytik leisten kann. Das komplizierte MALDI-Massenspektrum einer Polycarbonat-

A-Probe, die sieben verschieden terminierte Strukturen enthält, konnte erst mit der PSD-

Fragmentionenanalyse vollständig aufgeklärt werden. Eine derart komplizierte

Zusammensetzung kann mit keiner der konventionellen polymeranalytischen Methoden so

einfach entschlüsselt werden. Eine genaue Untersuchung des Polycarbonat-

Fragmentierungsverhaltens zeigte den unerwarteten entscheidenden Einfluß von

Substituenten, die in bestimmten Fällen die Endgruppenbestimmung verhindern können. Das

Kationisierungsagens und die Intensität des Mutterions zeigten sich überdies als

ausschlagebende Parameter für die Aufnahme von PSD-Massenspektren.

Die Zusammensetzung eines Copolymers, die im Vergleich zu einem Homopolymer nicht nur

vom Polymerisationsgrad sondern auch von der Comonomerenverteilung abhängt, führt zu

meist komplizierten MALDI-Massenspektren mit sich gegenseitig überlappenden

Polymerverteilungen. Im konventionellen MALDI-Massenspektrum des PPE-b-PEO-Diblock-

Copolymers wurde die Interpretation durch zufällig überlappende Signale zusätzlich

erschwert. Mit Hilfe eines PSD-Massenspektrums konnte aber die Länge des PEO- bzw. PPE-

Blöcke und somit die Copolymerzusammensetzung eindeutig nachgewiesen werden. Das neue

Werkzeug der MALDI-Massenspektrometrie konnte wieder eine sehr detaillierte


213

Charakterisierung leisten: Aus einer polydispersen Probe konnte die genaue

Zusammensetzung einzelner Copolymerketten bestimmt werden. Noch kompliziertere

Polymerstrukturen wie z.B. der von sternartigen Polymeren sollten mit der erweiterten

MALDI-Methode ebenfalls nachweisbar sein. Eine erfolgreiche Bestimmung der

Polymerstruktur ist jedoch durch die Natur des Polymers bedingt. Brauchbare

Strukturinformationen können nur gewonnen werden, wenn die Sollbruchstellen auf

„strategische“ Bindungen konzentiert sind. Diese Voraussetzung wurde für das Polycarbonat-

A und das PPE-b-PEO-Diblock-Copolymer erfüllt, dagegen wiesen die PEO- und PPE-

Homopolymere kompliziertere Fragmentierungsverhalten auf, wodurch die Endgruppen nicht

eindeutig aus Fragmentionen identifiziert werden konnten. Mit der angewendeten Technik, bei

der die Aktivierungsenergie lediglich durch eine Änderung der Laserleistung geregelt wird,

läßt sich der Fragmentierungsmechanismus kaum beeinflußen. Eine Fragmentierung, die

durch Zusammenstöße mit einem nach der Beschleunigungszone eingelassenen Gas gesteuert

wird, worauf das „Collision-Induced Dissociation“(CID)-Prinzip beruht, könnte sich in

einigen Fällen vom PSD-Fragmentierungsmechanismus unterscheiden. Somit könnten

eventuell zusätzliche Strukturinformationen gewonnen werden. Eine weitere Verbesserung

der Fragmentionenanalyse im Bereich der Polymeranalytik könnte in einem Wechsel des

Analysatortyps bestehen. Anstatt eines Time-of-Flight-Analysators könnte ein Sektorfeldgerät

eingesetzt werden. Zum einen wird dadurch eine bessere Auflösung erzielt, die eine feinere

Selektion (bis zu einzelnen Isotopen) der zu untersuchenden Polymerketten im

Massenspektrometer ermöglicht. Zum anderen kann mit einem Sektorfeldgerät die Stoß-

induzierte Aktivierungsenergie besser gesteuert werden.

Neben der Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur Strukturbestimmung

synthetischer Polymere wurde die Einsatzmöglichkeit der Methode zum Nachweis von neuen

Substanzklassen geprüft, die mit konventionellen Methoden der Polymeranalytik nahezu

uncharakterisierbar waren. Die Familie der geladenen metallo-supramolekularen Strukturen

wurden zuerst untersucht. Aufgrund der schwachen Bindungskräfte sowie ihres Salzcharakters

können diese Verbindungen mit konventionellen Analysenmethoden der Polymeranalytik

nicht nachgewiesen werden. Nur die zeitaufwendige analytische Ultrazentrifugation lieferte

bisher sinnvolle Ergebnisse. Mit der MALDI-TOF-Massenspektrometrie wurden die [2x2]-

gitterartigen metallo-supramolekularen Strukturen von Dr. U. Schubert (TU München) sowie

ein makrozyklisches Quadrat von Prof. P. Stang (Universtiy of Utah, Salt Lake City)

erfolgreich charakterisiert. Ein bemerkenswertes Ergebnis stellte der eigenartige


214

Ionisierungsmechanismus dieser Verbindungen dar, der auf den Verlust von Gegenionen

basiert. Erstaunlicherweise wächst die Ladungszahl der Moleküle nicht mit der Anzahl der

„verlorenen“ Gegenionen, sondern nur einfach geladene Ionen konnten detektiert werden.

Diese Beobachtung ließ auf eine Reduktion dieser Makroionen während des MALDI-

Prozesses schließen. Durch das Verständnis der Desorptions- und Ionisationszusammenhänge

konnten die Messungen dahingehend optimiert werden, daß die Zahl der dissoziierten

Gegenionen sowie die Intensität der Fragmentionen verringert werden konnte. Dafür wurde

eine möglichst niedrige Laserleistung eingestellt und die Matrix nach ihrer

Desorptionsschwelle selektiert. Nach Klassifizierung der Matrices hinsichtlich ihrer

Desorptions- und Ionisationsschwelle stellte sich all-trans-Retinoesäure als die Matrix mit der

niedrigsten Desorptions- und Ionisationsschwelle heraus und erzeugte mildere Bedingungen

bei der Analyse als Dithranol. Jedoch konnte das makrocyclische hexanucleare Platin-

Sechseck von Prof. P. Stang (Universtiy of Utah, Salt Lake City) und andere Makrocyclen mit

noch höheren Molekulargewichten trotz der optimierten Meßbedingungen nicht intakt

detektiert werden. Da diese Proben aber bisher uncharakterisiert sind, konnte nicht bestimmt

werden, ob diese Verbindungen bei der MALDI-Analyse zerfallen oder ob sie in der Probe im

festen Zustand gar nicht enthalten sind, sondern sich möglicherweise nur in gelösten Zustand

ausbilden. Somit ist die Grenze der MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur Charakterisierung

solcher Verbindungen schwer einzuschätzen.

Mit der Entwicklung der MALDI-TOF-Massenspektrometrie konnte der Nachweis

polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAH), die eine weitere schwierig zu

charakterisierende Substanzklasse darstellen, erzielt werden. Aufgrund ihrer unzureichenden

Löslichkeit konnten solche Verbindungen bis zu einer gewissen Molmasse bisher nur durch

Laserdesorptionsmassenspektrometrie (LD-TOF-MS) nachgewiesen werden. Mangels

sonstiger Charakterisierungsmethoden war die Produktaufklärung neuer größerer PAHs wie

z.B. C222H42 stark behindert. Eine Untersuchung mit der MALDI-TOF-Massenspektrometrie,

die eine deutliche Vergrößerung des zugänglichen Massenbereichs ermöglichen sollte, war

bisher jedoch nicht möglich, da die traditionelle Probenvorbereitung lösliche Verbindungen

erfordert. Eine neue Probenvorbereitung, die auf die Beteiligung eines Lösungsmittels

vollkommen verzichtet und somit auf unlösliche Proben anwendbar ist, wurde daher im

Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Die unlöslichen PAHs wurden dabei in der Matrix im festen

Zustand homogen verteilt. Der Erfolg dieser neuen Präparationsmethode widerlegt die

Notwendigkeit einer mikrokristallinen Struktur der Probe, die zuvor allgemein angenommen


215

wurde. Darüber hinaus wurde TCNQ als neue Matrix eingeführt und hat sich als besonders

geeignet für die Charakterisierung von PAHs sowie anderer photoabsorbierender Analyten

erwiesen. Unserer Vermutung nach wird mit TCNQ außer der Desorption auch die Ionisation

unterstützt, die hier durch Bildung von Radikalkationen erfolgt. Erst mittels dieser erstmalig

angewendeten Probenvorbereitung konnte der PAH C222H42 eindeutig charakterisiert werden.

Die Fragmentierung des Analyten während des MALDI-Prozesses wurde vollständig

unterdrückt, und alle Signale im Bereich des Analytsignals konnten mit Sicherheit

Reaktionsprodukten zugeordnet werden. Anhand des gemessenen MALDI-Massenspektrums

und in Verbindung mit Informationen über die Synthese konnte wertvolle Reaktionsanalytik

betrieben werden. Die Existenz des Zielproduktes C222H42, das aus der Bildung von 54 C-C-

Bindungen resultiert, wurde eindeutig nachgewiesen. Nebenprodukte wurden ebenfalls

detektiert. Jedoch ließ eine semi-quantitative Analyse auf einen wesentlich höheren

Reinheitsgrad der Probe als im Massenspektrum angedeutet schließen. Darüber hinaus wurden

noch weitere bedeutende Ergebnisse im Zusammenhang mit der MALDI-Charakterisierung

von PAHs erhalten. Zum einen wurde die Bildung physikalischer PAH-Oligomere bei der

MALDI-Messung, die höchstwahrscheinlich in der Gasphase erfolgt, beobachtet. Zum

anderen konnten PAH-Silberadduktionen durch Zusatz von Silbersalz bei der MALDI-

Messung gebildet werden, die nicht bei einzelnen PAH-Molekülen, sondern erst bei den PAH-

Oligomeren detektiert wurden. Dies untermauert unsere bisherige Vorstellung über die

Struktur der Silberaddukte mit aromatischen Analyten, für die eine Sandwichstruktur

angenommen wird. Der erfolgreiche Einsatz der MALDI-TOF-Massenspektrometrie zur

Charakterisierung der unlöslichen PAHs stellt sicherlich einen Durchbruch in der Analyse

dieser Substanzklasse dar, er leistet aber ebenfalls einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung

der MALDI-Methode. Gegenwärtig steht die MALDI-TOF-Massenspektrometrie als einzige

Methode zur Charakterisierung von sehr großen PAHs wie C222H42 zur Verfügung, und besitzt

das Potential auch noch weit größere PAHs fragmentierungsfrei analysieren zu können.

Anhand des MALDI-Massenspektrums können die Summenformeln der Reaktionsprodukte

bestimmt werden, jedoch können daraus nicht immer die Strukturen ermittelt werden. Eine

Strukturinformation könnte eventuell aus dem Fragmentierungsverhalten bzw. aus dem PSD-

Massenspektrum gewonnen werden. Ein weiteres Problem bei der PAH-Analyse stellt die

Quantifizierung der MALDI-Massenspektren dar. Nur mit künstlichen Mischungen aus

definierten Analyten können Response-Faktoren ermittelt und somit die Verhältnisse der

Gemischbestandteile in einer unbekannten Probe berechnet werden. Aus systematischen


216

Mischungen definierter PAHs können möglicherweise allgemeine Prinzipien erkannt werden,

die für die Quantifizierung von PAHs (semiquantitative Abschätzung) hilfreich sind. Ein

besseres Verständnis der Desorptions- und Ionisationsprozesse könnte dazu beitragen, auch

MALDI-Massenspektren unbekannter Proben, die aus einem Produktgemisch bestehen,

einzuschätzen. Bei den sehr großen PAHs wie C222H42 bleibt aber die chemische Abtrennung

des Zielprodukts von den Nebenprodukten aufgrund der Unlöslichkeit problematisch, und

somit können die Eigenschaften des Materials nicht einer definierten Verbindung zugeordnet

werden. Große, sehr reine PAHs könnten durch Optimierung der Synthese gebildet werden,

sie könnten aber im Prinzip auch im Massenspektrometer isoliert und akkumuliert werden.

Die mit MALDI intakt desorbierten PAHs können mit dem elektronischen Gate selektiert d.h.

von Nebenprodukten abgetrennt werden. Sollte dann eine Ablagerung dieser

Graphitausschnitte auf einer Platte an der Stelle des Detektors gelingen, ohne daß das Molekül

dabei zerfällt, würde damit eine Technik entstehen, um reine große PAHs zu sammeln.

Anschließend könnte z.B. eine Visualisierung mit STM („Scanning Tunneling Microscopy“)

unternommen werden. Dieses Projekt erfordert aber zunächst eine Modifikation des

Analysators. Das elektronische Gate muß das Zielmolekül sehr genau selektieren können,

deshalb ist der Wechsel zu einem Sektorfeldgerät empfehlenswert, das eine wesentlich bessere

Auflösung als ein Time-of-Flight-Analysator besitzt und bis zu isotopenreinen Substanzen

selektieren kann. Eine schwierigere Aufgabe besteht dann darin, das selektierte Molekül

soweit abzubremsen, um es intakt abscheiden zu können. Die neue Probenvorbereitung, die

hier für PAHs entwickelt wurde, bietet auch neue Perspektiven für die Entwicklung der

MALDI-Methode. Die Probenpräparation ist nicht mehr auf die Beteiligung eines

Lösungsmittels angewiesen. Dies bedeutet, daß die Probenvorbereitung nicht mehr auf ein für

Analyt und Matrix gemeinsames Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelsgemisch beschränkt ist.

Außerdem kann somit eine eventuelle Entmischung des Analyten von der Matrix beim

Verdampfen des Lösungsmittels, das den MALDI-Prozeß dann zum Scheitern verurteilt,

prinzipiell umgangen werden. Auch andere unlösliche Analyte wie z.B. unsubstituierte Poly-

para-phenylene können prinzipiell in gleicher Weise wie die untersuchten PAHs

charakterisiert werden. Schließlich könnten ebenfalls neue Matrices ohne Rücksicht auf ihre

Löslichkeit getestet werden. Somit könnten auf direktem Wege spezielle Matrices der Natur

des Analyten gezielt angepaßt werden. TCNQ hat sich z.B. für die Charakterisierung von

PAHs als besonders geeignet erwiesen. Ähnliche Kohlenstoff-Verbindungen wie z.B.

chemisch modifizierte Fullerene und Nanotubes können prinzipiell auch mit TCNQ


217

charakterisiert werden. Kommerziell erhältliche Nanotubes wurden bereits mittels der neuen

Methode untersucht, führten aber zu keinen Erfolg. Der Grund dafür liegt vermutlich in den

zu hohen Molekulargewichten der Proben, die sich im Bereich von mehreren Millionen

Daltons bewegen, die mit MALDI bisher nicht erfaßt werden können. Zwischen Fullerenen

und Nanopartikeln sollten aber noch Kohlenstoff-Verbindungen existieren, die mittels

MALDI-Festkörperprobenvorbereitung charakterisiert werden könnten.

In der ganzen Arbeit aber besonders im Rahmen der Untersuchung der geladenen metallo-

supramolekularen Verbindungen sowie bei der Messung der PAHs wurde die enorme

Bedeutung der Probenvorbereitung bei der MALDI-Massenspektrometrie verdeutlicht. Der

letzte Teil dieser Arbeit wurde daher ausschließlich dem Einfluß der Probenvorbereitung auf

MALDI-TOF-Massenspektren gewidmet. Bei derselben Probe können einfache

Modifikationen der Probenvorbereitung eine deutliche Änderung der MALDI-Massenspektren

verursachen. Ein Wechsel der Matrix konnte bei den untersuchten konjugierten Polymeren

deren Fragmentierungsverhalten während der Messung eindeutig beeinflußen. Diese Analyten,

die bei der Wellenlänge des angewendeten N2-Lasers absorbieren, weisen den gleichen

Ionisierungsmechanismus wie PAHs auf. Sie bilden Radikalkationen. Wie erwartet erwies

sich TCNQ auch für diese Proben als besonders geeignet. Die Fragmentierung von Poly-para-

phenylen und Poly-para-phenylenethinylen wurde mit TCNQ vermieden bzw. stark

vermindert, während sie mit anderen Matrices wie Dithranol oder Retinoesäure unumgänglich

war. Dagegen wurde mit TCNQ das „post-source decay“ begünstigt. Aus diesem unerwarteten

Verhalten konnte für die Aufnahme eines PSD-Massenspektrums der PPP-Probe Nutzen

gezogen werden. Im Gegensatz dazu konnten mit Dithranol kaum PSD-Fragmente detektiert

werden. Ein weiteres überraschendes Ergebnis stellte der Unterschied der detektierten „in-

source“- und „post-source“-Fragmente dar. Modelle, die im Zusammenhang mit der

Fragmentierung den Mechanismus der Ionisation berücksichtigen, wurden als Erklärung

vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde der Einfluß der Matrix auf die Polymerverteilung bei

PPE-Proben, aber auch bei der PPE-b-PEO-Probe deutlich demonstriert. Der Schwerpunkt der

Massenverteilung wurde mit TCNQ zu niedrigeren Molekulargewichten verschoben, während

er sich mit Retinoesäure zu höheren Massen verschiebt. Dieses wurde unabhängig vom

Ionisierungsmechanismus beobachtet. Die Wirkung der Kationisierungsagenten auf die

Kurvenform einer Polymerverteilung mit MALDI-Massenspektrometrie wurde ebenfalls

untersucht. Dafür wurden Polystyrol-Proben mit äquimolaren Mischungen aus

Alkalimetallkationen präpariert. Niedermolekulare Polymerketten wurden mit kleinen


218

Kationen bevorzugt ionisiert, während längere Polymerketten überwiegend mit größeren

Kationen ionisiert wurden. Mit diesen Ergebnissen wurden die Einflüsse von Matrix und

Kationen auf die MALDI-Analyse einer Polymerverteilung demonstriert. Bekanntlich

provozieren andere Parameter wie Lösungsmittel, Verunreinigungsspuren ebenso wie

Konzentrationsänderungen zwischen Matrix, Analyt, Kation bzw. Lösungsmittel teilweise

drastische Effekte. Die Probenvorbereitung stellt einen komplexen Prozeß dar, der für jede

neue Probe eingehend untersucht werden muß, bevor eine Quantifizierung der

Polymerverteilung mit MALDI durchgeführt werden darf.

Experimenteller Teil

219

V. Experimenteller Teil

V.1. Allgemeine experimentelle Bedingungen

Lösungsmittel, Matrices und Kationisierungsagentien:

Lösungsmittel wurden in käuflicher p.A. Qualität eingesetzt. Die verwendeten Matrices und

Kationisierungsagentien wurden ebenfalls in kommerziell erhältlicher Qualität eingesetzt.

GPC:

Gerät: Gilson von Abimed Analysentechnik GmbH (Langenfeld)

Säulen: 3 Jordi-Gel DVB-Säulen (10x500 mm) mit 100, 1000 und 10000 Å

Detektor: Gilson Refraktivindex-Detektor

Lösungsmittel: THF

Flußrate: 0,5 ml/min

MALDI-TOF-Massenspektrometer:

Das Meßprinzip und der Aufbau der benutzten MALDI-TOF Massenspektrometer ist

ausführlich im Kapitel II beschrieben. Hier sind die wichtigsten Bestandteile der

angewendeten Geräte der Firma Bruker Daltonik GmbH (Bremen, Deutschland) kurz

zusammengefaßt:

Bruker Reflex I: N2-Laser, Pulsdauer 3 ns

MALDI-Ionenquelle: einstufige Beschleunigungszone, maximale

Beschleunigungsspannung +/-35 kV; elektrostatische Linse

Deflektionpulser

Linearer Analysator mit HIMAS-Spezialdetektor

Zweistufiger, gitterloser Ionenreflektor

Reflektordetektor: „dual microchannel plates“ (MCP)

1 GHz Transientenrekorder

SUN-Workstation mit Bruker XTOF Software zur Datenauswertung


220

Bruker Reflex II: Unterschiede zum Reflex I-Massenspektrometer:

MALDI-Ionenquelle: zweistufige, mit „delayed extraction“

ausgerüstete Beschleunigungszone (delay: 50, 150 oder 600 ns),

maximale Beschleunigungsspannung +28,5 kV (-25 kV)

Elektronisches Gate zur „in-flight“-Selektion von Ionen in einem sehr

engen Massenbereich (Auflösung m/∆m ca. 100)

Linear- und Reflektordetektor: MCP, ausgerüstet mit „detector gating“

V.2. Kalibrierung des Massenspektrometers

In der Flugzeitmassenspektrometrie wird aus der Ionenflugzeit nach Umrechnung über eine

Kalibrierungsfunktion ein Masse-zu-Ladungsverhältnis bestimmt. Auf Grund von

systembedingten Fehlern in der Flugzeitmessung wird statt der theoretischen Gleichung 2 (s.

Kap. II, S. 8) eine praktische Gleichung (s. Gleichung 17) für die Kalibrierung des

Massenspektrometers verwendet. Die Kalibrierungskonstanten A und B werden aus dem

Massenspektrum eines Kalibrierungsstandards berechnet.

mz A T B= ⋅ +2

Gleichung 17

Am häufigsten werden synthetische Polymerproben als positiv geladene Ionen detektiert. Das

Massenspektrometer wird dann mit einer Kalibriersubstanz, die positive Ionen bildet,

kalibriert. Rinderinsulin ist z.B. ein üblicher Standard, mit dem eine Zweipunktkalibrierung

durchgeführt werden kann. Dazu werden 0,6 mg Rinderinsulin in einer Mischung aus 0,5 ml

dest. Wasser und 0,5 ml Acetonitril gelöst. 50 µl dieser Lösung werden entnommen, auf 1 ml

mit dest. Wasser aufgefüllt und 2 µl Trifluoressigsäure zugefügt. 10 µl dieser Insulinlösung

werden mit 10 µl einer gesättigten Lösung der Matrix trans-3-(4-Hydroxy-3,5-

Dimethoxyphenyl)-acrylsäure (Sinapinsäure) in dest. Wasser gemischt. 1 µl dieser Mischung

wird auf den Probenteller gebracht und das Lösungsmittel im Luftstrom eines Föhns

verdunstet, so daß eine dünne kristalline Schicht zurückbleibt.

Davon wird ein Spektrum, bestehend aus mindestens 20 aufaddierten Einzelspektren bei der

für das Experiment benötigten Einstellung des Geräts (Linear bzw. Reflektor) und der

angelegten Beschleunigungsspannung bzw. Reflektionsspannung aufgenommen. Die


221

eingestrahlte Laserleistung sollte etwas oberhalb der Desorption/Ionisationsschwelle liegen.

Die so erhaltenen Spektren zeigen neben dem Signal des (M...H)+-Ions bei 5734,6 g/mol noch

ein weiteres Signal des (M...H2)2+-Ions bei 2867,8 g/mol. Mit diesen beiden Signalen werden

die Flugzeiten der Ionen ihrem Masse-zu-Ladungsverhältnis zugeordnet.

In der Polymeranalytik wird aber zusätzlich zu dieser Zweipunktkalibrierung eine

Mehrpunktkalibrierung mit einem Polymerstandard (z.B. Polystyrol) bevorzugt. Sie hat den

Vorteil, eine größere Anzahl von Meßpunkten zu liefern, die die Zuordnung zwischen

Flugzeiten und Masse-zu-Ladungsverhältnissen exakter macht.

Dazu wird ca. 0,5 mg eines Polystyrolstandards mit einer Polymerverteilung zwischen 2000

und 6000 g/mol in 1 ml THF gelöst. Zu 10 µl dieser Polymerlösung kommen nun 10 µl einer

0,1 M Lösung von 1,8,9-Trihydroxyanthracen (Dithranol) in THF. Zur resultierenden

Matrix/Analyt-Mischung kommt noch 1µl einer Lösung von Silbertrifluoracetat in THF (ca. 3

mg/ml) als Kationisierungsagens. 1 µl dieser Mischung wird auf den Probenteller aufgetragen

und das Lösungsmittel verdampft.

Das aufgenommene Spektrum zeigt jetzt eine Serie von Signalen, die den Flugzeiten der

silberkationisierten Polystyrolketten entsprechen. Diese zahlreichen Signale können ihrem

Masse-zu-Ladungsverhältnis zugeordnet werden.


222

V.3. Aufnahme und Kalibrierung eines FAST-Massenspektrums

Aufnahme

Das Prinzip der FAST-Methode wurde bereits im Kapitel II.3.2 erklärt. Hier sollen nur die

wesentlichen Schritte für die praktische Erzeugung eines FAST-Massenspektrums resümiert

werden. Nach Kalibrierung des Massenspektrometers (s. Kap. V.2) wird die zu untersuchende

Substanz gemessen. Dabei wurden folgende Parameter angewendet:

Beschleunigungspannung (IS1): +28.5 kV

Spannung der ersten Lochblende (IS2): +20,0 kV

Delay: 50 ns (short)

Reflektorspannung: 30,0 kV

Das Mutterion wird anhand des elektronischen Gates selektiert. Es werden dann 15

Einzelspektren (auch „Segmente“ genannt) mit immer kleiner werdenden

Reflektorspannungen aufgenommen. Folgende Reflektorspanungen wurden benutzt:

Segment 1 30,00 kV Segment 6 9,64 kV Segment 11 2,33 kV

2 27,20 kV 7 7,26 kV 12 1,76 kV

3 22,59 kV 8 5,47 kV 13 1,45 kV

4 17,01 kV 9 4,12 kV 14 1,13 kV

5 12,80 kV 10 3,10 kV 15 0,95 kV

Für jedes Segment werden ca. 200 Shots aufaddiert. Die Laserleistung wird so gewählt, daß es

zu einer starken Fragmentierung mit jedoch möglichst hoher Auflösung im Spektrum kommt.

Die aufgenommenen Fragmentsignale treten aber zunächst bei falschen Massen auf. Ihre

gemessene (offensichtliche) Masse muß mit der FAST-Kalibrierung in die tatsächliche Masse


223

umgerechnet werden. Nach Kalibrieren jedes Segments werden nun die 15 Segmente

zusammengefügt und ergeben das PSD-Fragmentmassenspektrum.

FAST-Kalibrierung

Für die FAST-Kalibrierung werden zwei Peptide mit relativ kleiner Molmasse verwendet, die

viele bekannte PSD-Fragmente bilden. Mit dem ACTH clip (18-39) wird die FAST-

Kalibrierung erzeugt und mit Angiotensin II überprüft.

ACTH wird wie folgt präpariert. 0,25 mg ACTH wird in 1 ml TA-Lösung

(Wasser:Acetonitril:Trifluoressigsäure im Verhältnis 70:30:0,1%) gelöst. 20 µl dieser

Vorratslösung werden anschließend mit 180 µl TA-Lösung verdünnt und ergeben die ACTH-

Lösung. Als Matrix wurde eine gesättigte Lösung von α-Cyanozimtsäure (CCA) in der TA-

Lösung verwendet. Matrix- und Analytlösung werden im Verhältnis 1:1 gemischt und 1 µl der

so erhaltenen Lösung auf den Probenträger gegeben. Die Lösemittel werden im Luftstrom

eines Föns verdampft, so daß eine kristalline Schicht zurückbleibt.

Die 15 Segmente eines Fragmentspektrums werden wie oben beschrieben und mit gleichen

Parametern für ACTH aufgenommen. Die FAST-Kalibrierung erfolgt nun durch eine

Zuordnung der auftretenden Fragmentmassen zu den tatsächlichen Molekulargewichten dieser

ACTH-Fragmente. Nachdem für jedes Segment mindestens drei signifikante Signale

zugeordnet worden sind, werden Korrekturfaktoren für jedes Teilspektrum berechnet. Eine

Überprüfung der FAST-Kalibrierung erfolgt dann durch die Aufnahme eines FAST-

Massenspektrums von Angiotensin II.

Hierzu wird 0,11 mg Angiotensin in 1mL TA-Lösung gelöst. 20 µl dieser Vorratslösung

werden anschließend mit 180 µl TA-Lösung verdünnt und ergeben die Angiotensin-Lösung.

10 µl dieser Lösung werden mit 10 µl einer gesättigten Lösung von CCA in TA

zusammengegeben und 1µl dieser Mischung auf den Probenträger gebracht. Nach dem

Verdampfen der Lösemittel werden die Teilsegmente eines Fragmentmassenspektrums mit

den selben vorgegebenen Parameter aufgenommen. Diese werden mit Hilfe der zuvor

erstellten FAST-Kalibrierung zusammengefügt. Anschließend werden die gemessenen

Molekulargewichte der Angiotensinfragmente mit den bekannten Fragmentmassen verglichen.

Liegen hierbei noch zu hohe Abweichungen vor, muß die Zuordnung der ACTH-Fragmente

korrigiert und die dadurch erhaltene neue Kalibrierung nochmals überprüft werden. Dieser

Vorgang wird so oft wiederholt, bis eine genügend kleine Massenabweichung erreicht wird.


224

V.4. Polymeranalytische Auswertung der Massenspektren

Alle Massenspektren wurden nach einer mathematischen Glättung durch Faltung mit einer

Dreiecksfunktion und Korrektur der Basislinie ausgewertet, um das Maximum (Mp), das

Zahlenmittel (Mn) und das Gewichtsmittel (Mw) der Polymerverteilung und der daraus

abgeleiteten Größe der Polydispersität (PD=Mw/Mn) zu ermitteln. Dazu wurde das

Auswerteprogramm XTOF der Firma Bruker benutzt. Zur Bestimmung der Zahlen- und

Gewichtsmittel wird die zwischen der Signalkurve, der Basislinie und der zwei freiwählbaren

Massengrenzen (x1, x2) liegende Fläche in N möglichst kleine, gleich große Teilintervalle

zerlegt. Die Peakfläche Ai und die entsprechende Masse Mi des i-ten Intervalls werden nach

Gleichung 18 bzw. Gleichung 19 berechnet:

A I x ii = ⋅ + ⋅∆ ∆( )1 wobei i N= −0 1... Gleichung 18

M x ii = + +

⋅1

1

2∆ wobei i N= −0 1...

Gleichung 19

∆ Breite eines Intervalls

I(x) entsprechende Signalintensität der Abszisse x

Aus den so gewonnenen Flächeninhalten Ai und den entsprechenden Massen Mi können das

Zahlenmittel Mn und das Gewichtsmittel Mw der Polymerverteilung nach Gleichung 20 bzw.

Gleichung 21 bestimmt werden.

M

A M

An

i ii

N

ii

N=⋅

=

−

=

−

∑

∑0

1

0

1 Gleichung 20

M

A M

A Mw

i ii

N

i ii

N=⋅

⋅

=

−

=

−

∑

∑

2

0

1

0

1 Gleichung 21


225

V.5. Durchführung der Messungen

V.5.1 Messung der endgruppenmodifizierten Polyethylenglykolproben 3

und 8 sowie deren Ausgangspolymere 1 und 4

CH3O CH2CH2O H( )n

)n O

O

CH3O CH2CH2O(

1

3

8

4

O OO

N

CO2H

H

O

O

NC

S

H

)n



Alle Proben wurden von Astrid Lehmann (MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung,

Berlin) zur Verfügung gestellt. Die PEG 1 und 4 wurden von den Firmen Fluka (Neu Ulm)

bzw. Shearwater Polymers Inc. (USA) bezogen. Die PEG 3 und 8 wurden von Astrid

Lehmann synthetisiert.

Für die MALDI-Messungen wurden die PEG-Proben in THF gelöst (0,3-0,4 mg/mL). 10 µL

dieser Lösung wurden mit 10 µL einer 0,1 M Lösung von 1,8,9-Trihydroxyanthracen

(=Dithranol) in THF versetzt, so daß ein molares Verhältnis von etwa 1:500-1:1000

(Analyt:Matrix) resultierte. Zu dieser Mischung wurde noch 1 µL einer Lösung von 9 mg


226

Kaliumtrifluoracetat in 1 mL THF zugegeben. 1 µL dieser Mischung aus Analyt, Matrix und

Kationisierungsagenz wurde auf den Probenteller aufgetragen und das Lösungsmittel

verdampft.

V.5.2 Messung von Polycarbonaten

PCA

PCZ

PCB

n

O C

OCH3

CH3

O C

n

O C

OCH2

CH2

O C

CH3

CH3

n

O C

OO

Die Proben PCA-1 und PCB wurden in unserem Institut von Thomas Wagner synthetisiert.

Die Proben PCA-2 und PCZ wurden von den Firmen Polymer Standards Service (Mainz)

bzw. Mitsubishi Gas Chemical Co. Inc. (Tokyo, Japan) bezogen.

Für die PSD-Messungen wurden die Proben PCA-1 und PCB zuvor mit GPC fraktioniert.

Dafür wurde 1ml der Polycarbonat-Lösung (15 mg/ml) injiziert. Nach ca. 90 min. wurden die

500 µl-Fraktionen gesammelt, die die niedermolekularen Polycarbonat-Oligomeren enthielten.

Die Fraktionen wurden eingeengt (verdunstet) und für die PSD-Messungen in 50 µl THF

wieder gelöst.

Von den Proben PCA-2 und PCZ wurde 1-1,5 mg in 1ml THF gelöst. Dithranol und

Lithiumtrifluoracetat wurden mit einer Konzentration von 0,1 mol/l bzw. 0,01 mol/l in THF

gelöst. Für alle Polycarbonate wurde die Analyt- mit der Matrix- und Kation-Lösung im


227

Verhältnis 10:10:1 (Vol.) gemischt. Anschließend wurde 1 µl dieser Mischung auf den

Probenteller aufgetragen und das Lösungsmittel verdampft.

V.5.3 Messung des PPE-b-PEO-Diblock-Copolymers 21 und dessen

Homopolymervorläufer PEO 19 und PPE 20

H3C O CH2 CH2 OH

m

19

n

Hexyl

Hexyl

O

HO

20

m

H3C O CH2 CH2 O

O

Hexyl

Hexyl

n

21

Alle Proben wurden von Viola Francke (Arbeitskreis Prof. Müllen, MPI für

Polymerforschung, Mainz) zur Verfügung gestellt.

Dithranol- und Lithiumtrifluoracetat-Lösungen wurden mit einer Konzentration von 0,1 mol/l

bzw. 0,01 mol/l in THF angefertigt. Für die MALDI-Messung von PEO 19 mit „matrix-

suppression-effect“ wurde 1,5 mg des Analyten in 200 µl THF gelöst. Bei den Analytlösungen

von PPE 20 und PPE-b-PEO-Diblock-Copolymer 21 wurden jeweils 0,2-0,4 mg in 500 µl

THF gelöst. Für alle Proben wurde die Analyt- mit der Matrix- und ggf. Kationen-Lösung im


228

Verhältnis 10:10:1 (Vol.) gemischt. Bei PPE 20 wurden keine Kationen zugesetzt.

Anschließend wurde 1 µL dieser Mischung auf den Probenteller aufgetragen und das

Lösungsmittel verdampft.

V.5.4 Messung der gitterartigen metallo-supramolekularen Verbindungen

= Co2+ od. Zn2+

8+

(PF6 -)8 =

25 R1=CH3, R2=H26 R1=CH2OH, R2=H27 R1=CH2OTBDMS, R2=H28 R1= H, R2= CH3

N

N

N N

N

NR1 R1

R2

Alle Proben wurden von Christian Weidl und Dr. Ulrich Schubert (Arbeitskreis Prof. Nuyken,

Technische Universität München) zur Verfügung gestellt.

Die Proben ([Co4(25)4](PF6)8, [Co4(26)4](PF6)8, [Co4(27)4](PF6)8, [Zn4(25)4](PF6)8) wurden in

Aceton gelöst (0,2-0,3 g/mL). Als Matrix wurde sowohl Dithranol als auch all-trans-

Retinoesäure verwendet. Bei der Messung mit Dithranol wurden 10 µL der Analytlösung mit

100 µl einer 0,1 M Lösung von Dithranol in Aceton versetzt, so daß sich ein molares

Verhältnis von etwa 1:10000 (Analyt:matrix) ergibt. 1 µl dieser Analyt/Matrix-Mischung

wurde auf den Probenteller aufgetragen und das Lösungsmittel verdampft. Bei der Messung

mit all-trans-Retinoesäure wurden 10 µl der Analytlösung mit 10 µl einer 0,05 M Lösung von

all-trans-Retinoesäure in Aceton versetzt, so daß sich ein molares Verhältnis von etwa 1:500

(Analyt:matrix) ergab. 1 µl dieser Analyt/Matrix-Mischung wurde auf den Probenteller

aufgetragen und das Lösungsmittel verdampft.


229

V.5.5 Messung der makrozyklischen vier- und sechskernigen

Übergangsmetallkomplexe 35 bzw. 38

38

O

Pt

Et3P

PEt3N

Pt

PEt3

NEt3P

O O

N N

Pt PtEt3P PEt3 Et3P PEt3

O O

PtN

PtN

O

PEt3

Et3P

Et3P

PEt3

+ +

++

+ +

+ 6 CF3SO2O -

35

2+

4 CF3SO2O -

2+P

Pt

PPh2

P N

N

Ph2

Pt

Pt Pt

PPh2

Ph2

P

P

Ph2

Ph2

P

PPh2

Ph2

Alle Proben wurden vom Arbeitskreis Prof. Stang (University of Utah, Salt Lake City) zur

Verfügung gestellt.

Sowohl Dithranol als auch Retinoesäure wurden als Matrix angewendet. Für beide Matrices

wurde eine 0,1 mol/l-Lösung in CH2Cl2 angefertigt. 04-0,7 mg des Quadrats 35 wurden in 1

ml CH2Cl2 gelöst. 0,5-0,9 mg des Sechsecks 38 wurden ebenfalls in 1 ml CH2Cl2 gelöst. 10 µl

der Matrixlösung wurden mit 10 µl der Analytlösung versetzt, so daß ein molares Verhältnis

von etwa 1:500-1:1000 (Analyt:Matrix) resultierte. 1 µl dieser Mischung wurde auf den

Probenteller gebracht und das Lösungsmittel verdampft.


230

V.5.6 Messung von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen

(PAH)

44

57

...

Die PAH-Proben wurden in der Synthese-Gruppe unseres Arbeitskreises hergestellt. Die

intensiv untersuchten Proben der Zielverbindung 57 wurden von Johann-Diedrich Brand

synthetisiert.

Für die Laserdesorption-Messungen wurden die PAH-Proben mittels eines Spatels direkt auf

der Probenträger aufgerieben.

Bei der MALDI-Messungen wurden die PAH-Proben und die Matrix mit der Kugelmühle

MM2000 der Firma F. Kurt Retsch GmbH & Co. KG (Haan, Deutschland) mechanisch

zermahlen und gemischt. Als geeignete Matrix wurde 7,7,8,8-Tetracyanochinodimethan

(TCNQ) für die MALDI-Messung von PAHs angewendet. 2,6 mg einer C222H42-Probe

wurden mit 10 mg TCNQ in einem Mahlbecher (rostfreier Stahl oder Wolframcarbid)

gemischt und 10 min mit der Kugelmühle gemahlen. So wurde eine Pulver-Mischung mit

einem molaren Verhältnis von 1:50 (Analyt/Matrix) erzeugt. Aus dieser Mischung wurden 1,5

mg abgewogen und mit 10,6 mg TCNQ ebenso in einem Mahlbecher gemischt und weitere 10


231

min in der Kugelmühle zermahlen. Daraus resultierte eine Pulver-Mischung mit einem

molaren Verhältnis von 1:500 (Analyt/Matrix). Diese Mischung wurde entweder mittels eines

Spatels direkt auf den Probenträger aufgerieben oder, um eine Verschmutzung des

Massenspektrometers zu vermeiden, als Suspension aufgetragen. Dafür wurde die Pulver-

Mischung in einem für alle Mischungskomponenten „nicht lösenden“ Lösungsmittel (Wasser,

Toluol od. Cyclohexan) suspendiert und 5 min mit dem Ultraschallfinger HD2070 der Firma

Bandelin Electronic GmbH & Co. KG (Berlin, Deutschland) homogenisiert. Anschließend

wurde 1 µl dieser Suspension auf den Probenträger aufgetragen und das Suspensionsmittel

verdampft.

V.5.7 Messung von Laserwellenlänge-absorbierenden Proben: Poly-para-

phenylen 66, Oligophenylen 56 und Poly-para-phenylenethinylen 23, 20

66

n=1, 3, 5, ...

Br

O

O

Br

O O

O O

n

n

OHO

Hexyl

Hexyl

OEtO I

Hexyl

Hexyln

23

20

56


232

Die PPP-Probe 66 wurde von Marcus Remmers synthetisiert (Arbeitskreis Prof. Wegner, MPI

für Polymerforschung, Mainz). Das Oligophenylen 56 und die PPEs 23 und 20 wurden in

unserem Arbeitskreis von Johann-Diedrich Brand bzw. Viola Francke hergestellt.

Als Matrices wurden Dithranol, TCNQ und all-trans-Retinoesäure verwendet. Die Matrices

wurden in THF mit einer Konzentration von 0,1 mol/l gelöst. TCNQ erzeugt bei dieser

Konzentration bereits gesättigte Lösungen. Das Lösungsmittel der mit GPC fraktionierten

PPP-Proben 66 wurde bereits vorher verdunstet. Jede GPC-Fraktion wurde dann in 1ml THF

gelöst. Bei dem Oligophenylen 56 und bei den PPE-Proben 23 und 20 wurde 0,2-0,4 mg des

Analyten in 1 ml THF gelöst. 10 µl der Matrixlösung wurden mit 10 µl der Analytlösung

versetzt, so daß ein molares Verhältnis von etwa 1:500-1:1000 (Analyt:Matrix) resultierte. 1

µl dieser Mischung wurde auf den Probenteller gebracht und das Lösungsmittel verdampft.

V.5.8 Messung von Polystyrol 67 und 68

HH9C4

n

67 Mn = 2230 g/mol, Mw=2340, D=1,05

68 Mn = 6600 g/mol, Mw=6758, D=1,02

Die Polystyrol-Standards 67 und 68 wurden von der Firma Polymer Standards Service

(Mainz) bezogen.

Es wurden äquimolare Mischungen aus zwei Kationsalzen hergestellt:

1) Kationmischung 1: 1,4 mg Natrium- und 1,6 mg Kaliumtrifluoracetat in 1 ml THF

2) Kationmischung 2: 0,6 mg Lithium und 0,7 mg Natriumtrifluoracetat in 1 ml THF

Als Matrix wurde Dithranol als 0,1 mol/l-Lösung in THF verwendet.

Für die Polystyrol 67-Lösung wurde 0,45 mg des Analyten in 1ml THF gelöst. Jeweils 10 µl

der Matrix- und Analytlösung wurden gemischt. Zu dieser Lösung wurde noch 1 µl der

Kationmischung 1 zugegeben. 1 µl dieser Lösung wurde auf den Probenträger aufgetragen

und das Lösungsmittel verdampft.


233

Die äquimolare Polystyrolmischung aus 67 und 68 wurde durch Lösen von 2,2 mg PS 67 und

6,4 mg PS 68 in 10 ml THF angefertigt. Das Verhältnis der beiden Komponenten in der

Mischung wurde durch HPLC-Analyse bestätigt. Jeweils 10 µl der Matrix- und Analytlösung

wurden gemischt. Zu dieser Lösung wurde noch 1 µl der Kationmischung 2 zugegeben. 1 µl

dieser Lösung wurde auf den Probenträger aufgetragen und das Lösungsmittel verdampft.

Anhang 1

234

VI. Anhang 1: Herleitung der Veränderung der Molmassen-

mittelwerte des Produkts einer Endgruppenmodifikation im Verhältnis

zu den Molmassenmittelwerten des Ausgangspolymers

VI.1. Definition der Zahlen- und Massenmittel des Ausgangs- und des

Zielpolymers

Nach den allgemeinen Zahlen- und Massenmitteldefinitionen lauten das Zahlenmittel, M nE ,

und das Massenmittel, M wE , des Ausgangspolymers :

M

n M

n

nE

i iE

i

k

i

i

k=

⋅=

=

∑

∑1

1

Gleichung 22

M

n M

n M

wE

i iE

i

k

i iE

i

k=

⋅

⋅

=

=

∑

∑

2

1

1

Gleichung 23

MiE Molmasse der Eduktmoleküle, die i Grundbausteine enthalten (später als „Molmasse

der Ausgangsmoleküle der Sorte i“ bezeichnet), wobei MkE die größte vorkommende

Molmasse ist

ni Molzahl der Ausgangsmoleküle der Sorte i in der Probe, die die Molmasse MiE

besitzen

Anhang 1

235

Ebenso sind das Zahlenmittel, MnP , und das Massenmittel, MwP , des reinen Zielpolymers

definiert :

M

n M

n

nP

iP iP

i

k

iP

i

k=

⋅=

=

∑

∑1

1

Gleichung 24

M

n M

n M

wP

iP iP

i

k

iP iP

i

k=

⋅

⋅

=

=

∑

∑

2

1

1

Gleichung 25

niP Molzahl der Zielmoleküle der Sorte i, mit der Molmasse MiP

Es ist zu betonen, daß die oben definierten Molmassenmittelwerte des Zielpolymers basieren

auf die Molmassenverteilung des gereinigten Zielpolymers und nicht auf eine Mischung des

Zielpolymers und des nicht reagierten Ausgangspolymers.

Aus Gleichung 24 und Gleichung 25 sowie der Definition von ∆M (∆M=MiP-MiE) folgt :

( )M

n M M

n

nP

iP iE

i

k

iP

i

k=⋅ +

=

=

∑

∑

∆1

1

Gleichung 26

und

( )

( )M

n M M

n M M

wP

iP iE

i

k

iP iE

i

k=⋅ +

⋅ +

=

=

∑

∑

∆

∆

2

1

1

Gleichung 27

Anhang 1

236

VI.2. Verbindung zwischen den Molmassenmittelwerten des Ziel- und

Ausgangspolymers

In der folgenden Rechnung nimmt man an, daß die Ausbeute der Endgruppenreaktion von

dem Polymerisationsgrad unabhängig ist. Das bedeutet, daß ein Bruchteil α der ni

Ausgangsmoleküle der Sorte i reagiert und ergibt n niP i= ⋅α mol der Zielmoleküle der Sorte i,

wobei α von dem Polymerisationsgrad unabhängig ist. Aus Gleichung 26 und Gleichung 27

folgen :

( )M

n M M

n

nP

i iE

i

k

i

i

k=⋅ ⋅ +

⋅

=

=

∑

∑

α

α

∆1

1

Gleichung 28

( )

( )M

n M M

n M MwP

i iE

i

k

i iE

i

k=⋅ ⋅ +

⋅ ⋅ +

=

=

∑

∑

α

α

∆

∆

2

1

1

Gleichung 29

Da α vom Polymerisationsgrad unabhängig ist, läßt sich durch Gleichung 28 und Gleichung

29 folgendes ausdrücken :

( )M

n M M

n

nP

i iE

i

k

i

i

k=⋅ +

=

=

∑

∑

∆1

1

Gleichung 30

( )

( )M

n M M

n M M

wP

i iE

i

k

i iE

i

k=⋅ +

⋅ +

=

=

∑

∑

∆

∆

2

1

1

Gleichung 31

Dieses Ergebnis zeigt schon, daß die Zahlen- und Massenmittelwerte des Zielpolymers

unabhängig vom Molenbruch α sind, solange dieser vom Polymerisationsgrad unabhängig ist.

Anhang 1

237

Aus Gleichung 30 und da ∆M vom Polymerisationsgrad unabhängig ist, läßt sich das

Zahlenmittel des Zielpolymers, MnP , einfach in Verbindung mit dem Zahlenmittel des

Ausgangspolymers, MnE , ausdrücken :

M

n M n M

nnP

i iE

i

k

i

i

k

i

i

k=⋅ + ⋅

= =

=

∑ ∑

∑1 1

1

∆

M

n M M n

n

nP

i iE

i

k

i

i

k

i

i

k=⋅ + ⋅

= =

=

∑ ∑

∑1 1

1

∆

M

n M

n

MnP

i iE

i

k

i

i

k=⋅

+=

=

∑

∑1

1

∆

M M MnP nE= + ∆Gleichung 4

Aus Gleichung 31 läßt sich ebenso das Massenmittel des Zielpolymers MwP in Verbindung

mit dem Zahlenmittel MnE und dem Massenmittel MwE des Ausgangspolymers ausdrücken :

( )

( )M

n M M M M

n M M

wP

i iE iE

i

k

i iE

i

k=⋅ + ⋅ ⋅ +

⋅ +

=

=

∑

∑

2 2

1

1

2 ∆ ∆

∆

( )[ ]

( )M

n M M M M M M

n M M

wP

i

i

k

iE iE iE

i iE

i

k=⋅ + ⋅ + ⋅ +

⋅ +

=

=

∑

∑1

2

1

∆ ∆ ∆

∆

Anhang 1

238

( )

( )M

n M M n M M n M M

n M M

wP

i

i

k

iE i

i

k

iE i iE

i

k

i iE

i

k=⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ +

⋅ +

= = =

=

∑ ∑ ∑

∑1

2

1 1

1

∆ ∆ ∆

∆

( )M

n M M n M

n M M

MwP

i

i

k

iE i

i

k

iE

i iE

i

k=⋅ + ⋅ ⋅

⋅ ++= =

=

∑ ∑

∑1

2

1

1

∆

∆∆

M

n M M n M

n M M n

MwP

i

i

k

iE i

i

k

iE

i iE

i

k

i

i

k=⋅ + ⋅ ⋅

⋅ + ⋅+= =

= =

∑ ∑

∑ ∑1

2

1

1 1

∆

∆∆

M

n Mn M

n MM

n M Mn

n M

MwP

i iE

i

k i

i

k

iE

i iE

i

k

i iE

i

k i

i

k

i iE

i

k

=

⋅ ⋅⋅

⋅+

⋅ ⋅ + ⋅⋅

+

=

=

=

=

=

=

∑∑

∑

∑∑

∑

1

1

2

1

1

1

1

1

∆

∆

∆

MM M

M

M

MwPwE

nE

=+

++

∆∆ ∆

1Gleichung 5

Anhang 2

239

VII. Anhang 2: Klassifizierung konventioneller Matrices nach der

Desorptions- und Ionisierungsschwelle

Die verfügbaren gängigen Matrices wurden nach ihrer Desorptions-/Ionisationsschwelle

klassifiziert. Dafür wurde 1µl einer 0,1 M-Lösung der Matrix in THF (oder in EtOH bzw. in

Pyridin im Falle von Aminopyrazin bzw. 3-Hydroxypicolinsäure) auf den Probenträger

aufgetragen. Nach Verdampfen des Lösungsmittels wurde die Matrix mit zunehmender

Laserleistung angeregt, bis Matrixsignale detektiert wurden. Die niedrigste Laserleistung d.h.

die höchste Laserabschwächung, die die Detektion des Matrixsignals gerade ermöglichte,

wurde gemessen. Die Tabelle enthält die Meßergebnisse der Matrices, geordnet nach

zunehmender Laserleistung für die Desorptions-/Ionisationsschwelle. Die „Leichtigkeit“ der

Desorption ist durch eine hohe Laserabschwächung gekennzeichnet. All-trans-Retinoesäure ist

z.B. die Matrix mit der niedrigsten Desorptions-/Ionisationsschwelle.

Matrix Abk. Formel Molmasse

(g/mol)

Laserab-

schwächung

all-trans-Retinoesäure CH3

CH3

CH3

COOHCH3 CH3 300,44 45

trans-3-(3-Indolyl)-

acrylsäure

IAA

N

COOH 187,20 37

α-cyano-4-hydroxy-

zimtsäure

CCA HOC

COOH

N 189,2 37

1,8,9-Trihydroxyanthracen OH OH OH 226,23 36

3-Aminopyrazin-2-

carbonsäureN

N NH2

COOH

139,11 35

Aminopyrazin AP

N

N NH2 95,11 33

Anhang 2

240


(g/mol)

Laserab-

schwächung

3-Nitrobenzylalkohol CH2OHO2N 153,14 31

9-nitoanthracen NO2 223,23 31

2,6-Di-tert-Butyl-4-

methylphenol

O H

tBu

CH3

tBu220,36 30

2-Hydroxy-5-

methoxybenzoesäureCOOH

OH

OCH3

168,15 29

2,5-Dihydroxybenzoesäure DHBHO

COOH

OH

154,12 27

2-(4’-hydroxybenzolazo)-

benzoesäure

HABAN

COOH

OHN

242,23 27

3-Hydroxypicolinsäure

N COOH

OH 139,11 27

5-Chlorsalicylsäure CSA COOH

OHCl

172,57 26

1,4-Dihydroxy-2-

naphtoesäure

OH

OH

COOH204,19 26

Trans-3,5-dimethoxy-4-

hydroxy-zimtsäure

SA O

HO

O

COOH

H3C

H3C

224,21 26

2-nitrophenyloctylether NPOE O

NO2

(CH2)7 CH3 251,33 22

9-Anthracencarbonsäure COOH 222,24 20

Anhang 3

241

VIII. Anhang 3: Klassifizierung neuer und konventioneller Matrices

nach der Desorptions- und Ionisierungsschwelle

Neuen Matrices (POPOP, NPO, DPS, BBO sowie TCNQ und TCNF4) wurden in der

Klassifikation der konventionellen Matrices (s. Anhang 2) nach deren Desorptionsschwelle

eingeführt:


(g/mol)

Laserab-

schwächung

1,4-di[2-(5-phenyl-

oxazolyl)]benzene

POPOP N

O

N

O364,40 93

2,5-bis-(4-biphenyl)oxazol BBO N

O373,45 88-89

4,4‘-diphenylstilbene DPS CH CH 212,33 88

all-trans-Retinoesäure CH3

CH3

CH3

COOCH3 CH3 300,44 86

7,7,8,8-

Tetracyanochinodimethan

TCNQNC

NC CN

CN

204,19 85

2-(1-naphtyl)-5-

phenyloxazol

αα-NPO N

O

271,32 82

trans-3-(3-Indolyl)-

acrylsäure

IAA

N

COOH 187,20 80

α-cyano-4-hydroxy-

zimtsäure

CCA HOC

COOH

N 189,2 80

Anhang 3

242


(g/mol)

Laserab-

schwächung

tetrafluortetracyanochino-

dimethan

TCNQF4

NC

NC CN

CN

F F

FF

79-80

1,8,9-Trihydroxyanthracen OH OH OH 226,23 79

3-Aminopyrazin-2-

carbonsäureN

N NH2

COOH

139,11

Aminopyrazin AP

N

N NH2 95,11

3-Nitrobenzylalkohol CH2OHO2N 153,14

9-nitroanthracen NO2 223,23

2,6-Di-tert-Butyl-4-

methylphenol

OH

tBu

CH3

tBu220,36

2-Hydroxy-5-

methoxybenzoesäureCOOH

OH

OCH3

168,15

2,5-Dihydroxybenzoesäure DHBHO

COOH

OH

154,12

2-(4’-hydroxybenzolazo)-

benzoesäure

HABAN

COOH

OHN

242,23

Anhang 3

243


(g/mol)

Laserab-

schwächung

3-Hydroxypicolinsäure

N COOH

OH 139,11

5-Chlorsalicylsäure CSA COOH

OHCl

172,57

1,4-Dihydroxy-2-

naphtoesäure

OH

OH

COOH204,19

Trans-3,5-dimethoxy-4-

hydroxy-zimtsäure

SA O

HO

O

COOH

H3C

H3C

224,21

2-nitrophenyloctylether NPOE O

NO2

(CH2)7 CH3 251,33

9-Anthracencarbonsäure COOH 222,24

Literatur

244

IX. Literatur

1 K.F. Arndt, G. Müller, Polymercharakterisierung, Hanser: München, 1996

2 H.D. Beckey, Principles of Field Desorption Mass Spectrometry, Pergamon: Oxford, 1977

3 L. Prokai, Field Desorption Mass Spectrometry, Marcel Dekker, 1990

4 M. Barber, R.S. Bordoli, G.J. Elliot, R.D. Sedgwick, A.N. Tyler, Anal. Chem. 1982, 54,

645A

5 M. Barber, R.S. Bordoli, R.D. Sedgwick, A.N. Tyler, Nature 1981, 293, 270

6 R.P. Lattimer, Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 1983, 55, 221

7 R.D. Macfarlane, D.F. Torgerson, Science 1976, 191, 920

8 H. Feld, A. Leute, R. Zurmühlen, A. Benninghoven, Anal. Chem. 1991, 63, 903

9 M.A. Posthumus, P.G. Kistemaker, H.L.C. Meuzelaar, M.C. ten Neuver de Brauw, Anal.

Chem. 1978, 50, 985-991

10 K.-D. Kupka, F. Hillenkamp, C. Schiller, Advances in Mass Spectrometry, Heyden & Sons:

London, 1980

11 R.J. Cotter, Anal. Chem. 1987, 195, 45-49

12 F. Hillenkamp, H. Ehring, Mass Spectrometry in the Biological Sciences: A Tutorial, M.L.

Gross Ed., Kluwer Academic: Dordrecht

13 L. Nuwaysir, C.L. Wilkins, Anal. Chem. 1988, 60, 279

14 L. Nuwaysir, C.L. Wilkins, W.J.Jr Simonsick, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1990, 1, 66

15 M. Karas, F. Hillenkamp, Anal. Chem. 1988, 60, 2299-2301

16 U. Bahr, A. Deppe, M. Karas, F. Hillenkamp, U. Giessmann, Anal. Chem. 1992, 64, 2866-

2869

17 D.C. Schriemer, L. Li, Anal. Chem. 1996, 68, 2721-2725

18 P.M. Lloyd, K.G. Suddaby, J.E. Varney, E. Scrivener, P.J. Derrick, D.M. Haddleton, Eur.

Mass Spectrom. 1995, 1, 293-300

Literatur

245

19 G. Montaudo, M.S. Montaudo, C. Puglisi, F. Samperi, Rapid Commun. Mass Spectrom.

1994, 8, 1011-1015

20 G. Montaudo, M.S. Montaudo, C. Puglisi, F. Samperi, Rapid Commun. Mass Spectrom.

1995, 9, 453-460

21 G. Montaudo, M.S. Montaudo, C. Puglisi, F. Samperi, Macromolecules 1995, 28, 4562-

4569

22 H. Pasch, F. Gores, Polymer 1995, 36, 1999-2005

23 Y.L. Kim, D.M. Hercules, Macromolecules 1994, 27, 7855

24 D. Garozzo, G. Impallomeni, E. Spina, L. Sturiale, G. Zanetti, Rapid Commun. Mass

Spectrom. 1995, 9, 937

25 G. Montaudo, D. Garozzo, M.S. Montaudo, C. Puglisi, F. Samperi, Macromolecules 1995,

28, 7983-7989

26 G. Montaudo, M. S. Montaudo, C. Puglisi, F. Samperi, Rapid Commun. Mass Spectrom.

1995, 9, 1158-1163

27 X. Fei, K.K. Murray, Anal. Chem. 1996, 68, 3555-3560

28 H. Pasch, K. Rode, J. Chromatogr. A 1995, 699, 21-29

29 F. Hillenkamp, M. Karas, R. C. Beavis, B. T. Chait, Anal. Chem. 1991, 63, 1193-1202

30 R.P. Krüger, GIT Fachz. Lab. 1995, 3, 189

31 R.J. Cotter, Anal. Chem. 1992, 64, 1027A-1039A

32 R.S. Brown, J.J. Lennon, Anal. Chem. 1995, 67, 1998-2003

33 H.H. Willard, L.L. Merritt Jr., J.A. Dean, F.A. Settle Jr., Instrumental methods of analysis,

Wadsworth Publishing Company: Belmont, 1988, p.487


Wadsworth Publishing Company: Belmont, 1988, p.355-357


Wadsworth Publishing Company: Belmont, 1988, p.144-146

Literatur

246

36 B. Spengler, D.Kirsch, R. Kaufmann, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1991, 5, 198

37 B. Spengler, D. Kirsch, R. Kaufmann, E. Jaeger, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1992, 6,

105

38 B. Spengler, D. Kirsch, R. Kaufmann, J. Phys. Chem. 1992, 96, 9678

39 R. Kaufmann, D. Kirsch, B. Spengler, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1994, 131, 355

40 R. Kaufmann, B. Spengler, F. Lützenkirchen, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1993, 7,

902-910

41 A. Lehmann, Doktorarbeit, Universität Potsdam, 1999

42 W.A. Goedel, A. Lehmann, Polym. Prepr. 1997, 38, 630

43 L. Finegold, Cholesterol in Membrane Models, CRC, 1993

44 H. Ishiwata, A. Vertut-Doi, T. Hirose, K. Miyajima, Chem. Pharm. Bull. 1995, 43, 1005-

1011

45 S. Lee, M.A. Winnik, R.M. Whittal, Liang Li, Macromolecules 1996, 29, 3060-3072

46 R.M. Whittal, Liang Li, Macromol. Rapid Commun. 1996, 17, 59-64

47 R.S. Brown, J.J. Lennon, Anal. Chem. 1995, 67, 1998

48 R.D. Edmondson, D.H. Russell, J. Am. Soc. Mass spectrom. 1996, 7, 995

49 R.M. Whittal, L.M. Russon, S.R. Weinberger, L. Li, Anal. Chem. 1997, 69, 2147

50 R.M. Whittal, D.C. Schriemer, L. Li, Anal. Chem. 1997, 69, 2734

51 M.W.F. Nielen, Anal. Chem. 1998, 70, 1563

52 M.W.F. Nielen, S. Malucha, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1997, 11, 1194

53 G. Montaudo, M.S. Montaudo, C. Puglisi, F. Samperi, Anal. Chem. 1994, 66, 4366-4369

54 H. Mandal, A.S. Hay, High Perform. Polym. 1997, 9, 215

55 H. Pasch, K. Rode, R. Gahary, D. Braun, Angew. Makromol. Chem. 1996, 241, 95

56 S. Lee, T. Wyttenbach, G. von Helden, M.T. Bowers, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 10159

Literatur

247

57 G. von Helden, T. Wyttenbach, M.T. Bowers, Science 1995, 267, 1483

58 A.T. Jackson, H.T. Yates, J.H. Scrivens, G. Critchley, J. Brown, M.R. Green, R.H.

Bateman, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1996, 10, 1668

59 R.H. Wiley, Macromolecules 1971, 4, 254

60 S. Fotori, M. Giuffrida, P. Maravigna, G. Montaudo, J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 1983,

21, 1567

61 J. Lub, G.H. Werumeus Buning, Polymer 1990, 31, 1009

62 A. Horbach, H. Vernaleken, K. Weirauch, Makromol. Chem. 1980, 181,111

63 J.I. Kroschwitz, Ed., „Encyclopedia of Polymer Science and Engineering„, Vol. 2, 2nd

edition, J. Wiley & Sons, New-York 1985

64 L. H. Radzilowski, S.I. Stupp, Macromolecules 1994, 27, 7747

65 S.I. Stupp, V. LeBonheur, L.S. Li, K.E. Huggins, M. Keser, A. Armstutz, Science 1997,

276, 384

66 R. Giesa, J. Macromol. Sci., Rev. Macromol. Chem. Phys. 1996, C36, 631

67 V. Francke, H.-J. Räder, Y. Geerts, K. Müllen, Macromol. Rapid Commun. 1998, 19, 275-

281

68 T.-W. Chan, A.W. Colburn, P.J. Derrick, Org. Mass Spectrom. 1991, 26, 342

69 P. Juhasz, B.H. Wang, K. Biemann, Proceedings of the 40th Annual Conference on Mass

Spectrometry and Allied Topics, Washington, p. 372, ASMS, Santa Fe (1992)

70 R. Knochenmuss, F. Dubois, M.J. Dale, R. Zenobi, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1996,

10, 871-877

71 T.L. Selby, C. Wesdemiotis, R.P. Lattimer, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 1994, 5, 1081

72 K. Sonogashira, Y. Tohda, N. Hagihara, Tetrahedron Lett. 1975, 4467

73 P. Juhasz, C. E. Costello, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1993, 7, 343-351

Literatur

248

74 H.-J. Räder, J. Spickermann, M. Kreyenschmidt, K. Müllen, Macromol. Chem. Phys. 1996,

197, 3285-3296

75 M. Remmers, B. Müller, K. Martin, H.-J. Räder, W. Köhler, Macromolecules 1999, 32,

1073-1079

76 J.-M. Lehn, Supramolecular Chemistry. Concepts and Perspectives, VCH: Wenheim, 1995

77 J.-M. Lehn, Angew. Chem. 1990, 102, 1347-1362

78 C.H. Weidl, Diplomarbeit, Technische Universität München, 1997

79 P.J. Stang, K. Chen, A.M. Arif, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 8793

80 A.S. Woods, J.C. Buchsbaum, T.A. Worall, J.M. Berg, R.J. Cotter, Anal. Chem. 1995, 67,

4462-4465

81 D. Vitalini, P. Mineo, S. Di Bella, I. Fragalà, P. Maravigna, E. Scamporrino,

Macromolecules 1996, 29, 4478-44857

82 Y. Dai, T.J. Katz, J. Org. Chem. 1997, 62, 1274-1285

83 U.S. Schubert, G.S. Hanan, D. Volkmer, J.-M. Lehn, J. Hassmann, C.Y. Hahn, O.

Waldmann, P. Müller, G. Baum, D. Fenske, 9th International Symposium on Molecular

Recognition and Inclusion, A. Coleman Ed., Kluwer Academic, 1998

84 G.S. Hanan, D. Volkmer, U.S. Schubert, J.-M. Lehn, G. Baum, D. Fenske, Angew. Chem.

Int. Ed. Engl. 1997, 36, 1842-1844

85 O. Waldmann, J. Hassmann, P. Müller, G.S. Hanan, D. Volkmer, U.S. schubert, J.-M.

Lehn, Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 3390

86 U.S. Schubert, Post-Doc Report, université Strasbourg, 1996

87 U.S. Schubert, J.-M. Lehn, J. Hassmann, C.Y. Hahn, N. Hallschmid, P. Müller, ACS-

Volume „Functional Polymers“, Ed. Patil, 1998

88 I.A. Mowat, R.J. Donovan, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1995, 9, 82-90

89 C.K.L. Wong, T.-W. Dominic Chan, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1997, 11, 513-519

90 J.A. Whiteford, C.V. Lu, P.J. Stang, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2524-2533

Literatur

249

91 J.A. Whiteford, E.M. Rachlin, P.J. Stang, Angew. Chem. 1996, 108, 2643-2648

92 P.J. Stang, N.E. Persky, J. Manna, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 4777-4778

93 N.E. Persky, Ph.D. Thesis, University of Utah, 1998

94 M. Zander, Polycyclische Aromaten - Kohlenwasserstoffe und Fullerene, Teubner:

Stuttgart, 1995

95 A. Gavezzoti, Acta Cryst.. 1988, B44, 427-434

96 G.R. Desiraju, A. Gavezzoti, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1989, 621-622

97 H. Bengs, F. Closs, T. Frey, D. Funhoff, H. Ringsdorf, K. Siemensmeyer, Liq. Cryst. 1991,

15, 565-574

98 D. Adam, P. Schumacher, J. Simmerer, L. Häussling, W. Paulus, K. Siemensmeyer, K.H.

Etzbach, H. Ringsdorf, Adv. Mater. 1995, 7, 276-280

99 E. Clar, Aromatische Kohlenwasserstoff - Polycyclische Systeme, Springer: Berlin, 1952; E.

Clar, The Aromatic Sextet, Wiley: London, 1972;

100 J.R. Dias, Handbook of Polycyclic Hydrocarbons - Part a: Benzenoid Hydrocarbons,

Elsevier: Amsterdam, 1987; Top. Curr. Chem. 153 (Advances in the Theory of Benzenoid

Hydrocarbons), 1990

101 M. Müller, H. Mauermann-Düll, M. Wagner, V. Enkelmann, K. Müllen, Angew. Chem.

1995, 107, 1751-1754

102 M. Müller, J. Petersen, R. Strohmaier, C. Günther, N. Karl, K. Müllen, Angew. Chem.

1996, 108, 947-950

103 A. Stabel, P. Herwig, K. Müllen, J.P. Rabe, Angew. Chem. 1995, 107, 1768-1770

104 V.S. Iyer, M. Wehmeier, J.D. Brand, M.A. Keegstra, K. Müllen, Angew. Chem. 1997, 109,

1676-1679

105 F. Morgenroth, E. Reuther, K. Müllen, Angew. Chem. 1997, 36, 631-634

106 P. Kovacic, M.B. Jones, Chem. Rev. 1987, 87, 357-379

107 E. Constantin, A. Schnell, Mass Spectrometry, Ellis Horwood Limited, Chichester 1991

Literatur

250

108 V.S. Iyer, K. Yoshimura, V. Enkelmann, R. Epsch, J.P. Rabe, K. Müllen, Angew. Chem.

Int. Ed. 1998, 37, 2696-2699

109 M. Müller, V.S. Iyer, C. Kübel, V. Enkelmann, K. Müllen, Angew. Chem. 1997, 109,

1679-1682

110 G.R. Desiraju, A. Gavezzotti, Acta Cryst. 1989, B45, 473-482

111 J.-D. Brand, Dissertation, Johannes Gutenberg Universität, Mainz, 1999

112 F. Morgenroth, E. Reuther, K. Müllen, Angew. Chem. 1997, 109,647-649

113 C. Yeretzian, K. Hansen, F. Diederich, R.L. Whetten, Nature, 1992, 359, 44-47

114 T. Mauney, Anal. Chim. Acta 1987, 195, 337-341

115 D.N. Lineman, S.K. Viswanadham, A.G. Sharkey, D.M. Hercules, Proceeding of the 24th

Annual Conference on the Microbeam Analysis Society, P.E. Russell Ed.: San Francisco,

1989, 297-298

116 M. Karas, D. Bachmann, U. Bahr, F. Hillenkamp, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes

1987, 78, 53-68

117 K. Tanaka, H. Waki, Y. Ido, S. Akita, Y. Yoshida, T. Yoshida, Rapid Commun. Mass

Spectrom. 1988, 2, 151-153

118 T.-W. Chan, A.W. Colburn, P.J. Derrick, Org. Mass Spectrom. 1992, 27, 5-56

119 D.S. Cornett, M.A. Duncan, I.J. Amster, Org. Mass Spectrom. 1992, 27, 831-832

120 V.S.K. Kolli, R. Orlando, Rapid Commun. Mass Spectrom. 1996, 10, 923-926

121 J. Sunner, E. Dratz, Y.-C. Chen, Anal. Chem. 1995, 67, 4335-4342

122 U. Brackmann, Lambdachrome laser dyes, Lambda Physik, Lasertechnik: Göttingen, 1986

123 M. Müller, Dissertation, Johannes Gutenberg Universität, Mainz 1997

124 J. Spickermann, K. Martin, H.-J. Räder, K. Müllen, H. Schlaad, A.H.E. Müller, R.-P.

Krüger, Eur. Mass Spectrom. 1996, 2, 161-165

125 J. Spickermann, Dissertation, Johannes-Gutenberg Universität Mainz, Mainz, 1997

Literatur

251

126 S.G. Lias, J.E. Bartmess, J.F. Liebmen, J.L. Holmes, R.D. Levin, W.G. Mallard, Gas-

phase Ion and Neutral Thermochemistry; American Chemical Society: New York, 1988

127 P. Cremonesi, E. Rogan, E. Cavalieri, Chem. Res. Toxicol. 1992, 5, 346-355

128 R. Tembreull, D:M. Lubman, Anal. Chem. 1986, 58, 1299-1303

129 O.P. Haefliger, R. Zenobi, Anal. Chem. 1998, 70, 2660-2665

130 A. Vertes, R. Gijbels, F. Adams, Laser Ionization Mass Analysis, John Wiley & Sons, Inc.:

New York, 1993, p. 322-328

131 R.C. Beavis, B.T. Chait, Chem. Phys. Lett. 1991, 181, 479-484

132 A. Vertes, R. Gijbels, F. Adams, Laser Ionization Mass Analysis, John Wiley & Sons, Inc.:

New York, 1993, p. 139; 154-158

133 J. Claereboudt, M. Claeys, R. Gijbels, A. Vertes, Proc. 39th ASMS Conf. Mass Spectrom.

Allied Top., Nashville, Tennessee, 1991, p.322-323

134 R.E. Smalley, L. Wharton, D.H. Levy, Acc. Chem. Res. 1977, 10, 139

135 J.M. Hayes, G.J. Small, Anal. Chem. 1983, 55, 565A

136 D.H. Levy, Science 1981, 214, 263-269

137 M.V. Johnston, Trends in Anal. Chem. 1984, 3, 58-61

138 R. Zimmermann, C. Lermer, K.W. Schramm, A. Kettrup, U. Boesl, Eur. Mass Spectrom.

1995, 1, 341-351

139 D.M. Lubman Anal. Chem. 1987, 29, 31A-40A

140 R. Tembreull, D.M. Lubman Anal. Chem. 1984, 56, 1962-1967

141 U. Boesl, H.J. Neusser, E.W. Schlag, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5058-5060

142 H.J. Neusser, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1987, 79, 141-181

143 L. Li, D.M. Lubman, Anal. Chem. 1988, 60, 2591-2598

144 C.F.H. Allen, F.P. Pingert, J. Am. Chem. Soc. 1942, 64, 1365

145 K. Balasanmugan, S.K. Viswanadham, D.M. Hercules, Anal. Chem. 1986, 58, 1102-1108

Literatur

252

146 L. Van Vaeck, J. Claereboudt, J. De Waele, E. Esmans, R. Gijbels, Anal. Chem. 1985, 57,

2944-2951

147 P.F. Greenwood, M.G. Strachan, G.D. Willett, M.A. Wilson, Org Mass Spectrom. 1990,

25, 353-362

148 Bisher unveröffentlichte Egebnisse

149 M. Remmers, Titel, Dissertation, Johannes-Gutemberg-Universität Mainz, Jahr

150 N. Miyaura, T. Ishiyama, H. Sasaki, M. Ishikawa, M. Satoh, A. Suzuki, J. Am. Chem. Soc.

1989, 111, 314-321

151 K. Müllen, G. Wegner, Adv. Mater. 1998, 10, 433-436

152 M.E. Vaschetto, A.P. Monkman, M. Springborg, J. Mol. Struct. (Theochem) 1999, 468,

181-191

153 D.M. Lubman, Lasers and mass spectrometry, Oxford University Press, New York, 1990,

p. 356

154 D.M. Lubman, Lasers and mass spectrometry, Oxford University Press, New York, 1990,

p. 503

155 R. Tembreull, C.H. Sin, P. Li, H.M. Pang, D.M. Lubman, Anal. Chem. 1985, 57, 1186-

1192

156 C.N. McEwen, C. Jackson, B.S. Larsen, Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes, 1997, 160,

387-394

157 K. Martin, J. Spickermann, H.-J. Räder; K. Müllen, Rapid. Commun. Mass Spectrom.

1996, 10, 1471-1474

158 P.M. Lloyd, E. Scrivener, D.R. Maloney, D.M. Haddleton, P.J. Derrick, Polym. Prepr.

1996, 37, 847-848

159 J. Gidden, A.T. Jackson, J.H. Scrivens, M.T. Bowers, Int. J. Mass Spectrom Ion Processes

1999, 188, 121-130

160 S. Maleknia, J. Brodbelt, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 4295-4298

Veröffentlichungen:

„Post-source decay fragment-ion analysis of polycarbonates by matrix-assisted laser

desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry“

L. Przybilla, H.-J. Räder, K. Müllen, Eur. Mass Spectrom. 1999, 5, 133-143

„MALDI-TOF mass spectrometry of insoluble giant polycyclic aromatic hydrocarbons by a

new method of sample preparation“

L. Przybilla, J.D. Brand, K. Yoshimura, H.-J. Räder, K. Müllen, accepted by Anal. Chem.

„Characterization of large synthetic polycyclic aromatic hydrocarbons by MALDI- and LD-

TOF Mass Spectrometry“

K. Yoshimura, L. Przybilla, S. Ito, J.-D. Brand, M. Wehmeier, H.-J. Räder, K. Müllen,

accepted by Macromol. Chem. Phys.

„Block length determination of a poly(ethylene oxide)-b-poly(para-phenylene ethynylene)

diblock copolymer by means of MALDI-TOF mass spectrometry combined with fragment-

ion analysis“

L. Przybilla, V. Francke, H.-J. Räder, K. Müllen, submitted to Macromolecules

Teilnahme an Tagungen und Workshops:

III. Kolloquium zur Anwendung der MALDI-TOF-MS zur Charakterisierung von Polymeren,

17. Mai 1999, Berlin, Vortrag: „Einfluß der Polymerstruktur auf das Fragmentierungs-

verhalten synthetischer Polymere“

Workshop on mass spectrometry of polymers, 1. bis 3. Dezember 1999, Catania (Italien),

Posterpräsentationen: 1) „Block length determination of a rod-coil copolymer by means of

MALDI-TOF mass spectrometry combined with fragment ion analysis“, 2) Post-source

decay-fragment ion analysis of polycarbonate by MALDI-TOF mass spectrometry

Methodische Entwicklung der MALDI-TOF- Massenspektrometrie ... · Methode wurden mittlerweile...

Documents

Transcript of Methodische Entwicklung der MALDI-TOF- Massenspektrometrie ... · Methode wurden mittlerweile...